Dodano: 25 marzec 2021r.

Intrygujące wyniki eksperymentów w CERN rzucają wyzwanie wiodącej teorii w fizyce

Naukowcy pracujący w CERN poinformowali o ciekawych wynikach eksperymentów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), które rzucają wyzwanie Modelowi Standardowemu fizyki cząstek elementarnych. Chodzi o potencjalne naruszenie zasady uniwersalności leptonów. Jeśli pomiary zostaną potwierdzone, będzie to oznaczać istnienie nowej cząstki lub siły, która oddziałuje w sposób dotąd nieznany nauce.

Intrygujące wyniki eksperymentów w CERN rzucają wyzwanie wiodącej teorii w fizyce

 

- Kiedy po raz pierwszy patrzyliśmy na wyniki, byliśmy bardzo podekscytowani. Nasze serca zabiły trochę szybciej. Jest za wcześnie, aby stwierdzić, czy to naprawdę odchylenie od Modelu Standardowego – powiedział Mitesh Patel z Imperial College London, jeden z fizyków pracujących w CERN.

Jeśli pomiary zostaną potwierdzone, może to mieć ogromne konsekwencje dla zrozumienia przez fizyków materii i podstawowych zasad rządzących Wszechświatem. Może to doprowadzić do odkrycia nowej fundamentalnej siły lub zastąpienia Modelu Standardowego inną teorią.

Z rezultatami ostatnich analiz można zapoznać się w bazie pre-printów arXiv.

Eksperymenty w LHC

Wewnątrz Wielkiego Zderzacza Hadronów (Large Hadron Collider - LHC) - 27-kilometrowego podziemnego pierścienia - protony poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, a następnie zderzają się ze sobą. Wynik? Z tych zderzeń powstają nowe, czasem egzotyczne cząstki. Im szybciej protony poruszają się, tym więcej mają energii. Im więcej mają energii, tym masywniejsze mogą być powstałe w wyniku zderzeń cząstki. W akceleratorach, takich jak LHC, badacze szukają śladów nieznanych cząstek, sprawdzając charakterystyczne produkty rozpadu, ponieważ cięższe cząstki są na ogół krótkotrwałe i natychmiast rozpadają się na lżejsze cząstki.

Jednym z celów LHC jest przetestowanie Modelu Standardowego, którego fizycy używają do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują. Model Standardowy to jedna z najważniejszych teorii we współczesnej fizyce i chociaż jego podstawy zaczęto rozwijać jeszcze w latach 70. ubiegłego wieku, to fizycy nie są z niego zadowoleni i nieustannie szukają nowych sposobów jego przetestowania.

Dzieje się tak, ponieważ Model, mimo że jest naszym najbardziej wszechstronnym i dokładnym modelem dla fizyki cząstek elementarnych, zawiera luki, przez co nie jest w stanie wyjaśnić wszystkiego, chociażby tego, z czego składa się ciemna materia lub dlaczego we Wszechświecie obserwujemy o wiele więcej materii niż antymaterii. Dlatego naukowcy poszukują cząstek zachowujących się w inny sposób, niż można by się spodziewać po przewidywaniach Modelu Standardowego, aby móc wyjaśnić niektóre z tych tajemnic.

Intrygujące wyniki

W ramach eksperymentu LHCb (Large Hadron Collider beauty), który jest jednym z czterech dużych eksperymentów przy Wielkim Zderzaczu Hadronów, uczeni rekonstruują właściwości cząstek na podstawie produktów ich rozpadu. W jednym z doświadczeń stwierdzono, że tak zwane kwarki piękne (lub kwarki denne) nie zachowują się tak, jak powinny, zgodnie z Modelem Standardowym.

Model przewiduje, że kwarki piękne powinny rozpadać się z tym samym prawdopodobieństwem do stanu końcowego z elektronami jak i mionami. Elektron jest cząstką elementarną zaliczaną do leptonów. Mion jest jego cięższym o około 200 razy kuzynem. Razem z taonem i neutrinami - elektronowymi, mionowymi i taonowymi oraz odpowiadające im antycząstkami, tworzą leptony. Według Modelu Standardowego elektrony i miony powinny powstawać w wyniku rozpadu kwakra pięknego równie często. To tzw. „uniwersalność leptonowa”.

Ale w eksperymentach w LHCb zaobserwowano, że w wyniku rozpadu kwarka pięknego częściej powstają elektrony niż miony. Jest to zaburzenie wspomnianej wcześniej „uniwersalności leptonowej”. Jednak by mówić o nowej fizyce, pomiary muszą zostać najpierw potwierdzone ponad wszelką wątpliwość.

Nowa fizyka na horyzoncie

- Gdyby potwierdzono naruszenie uniwersalności zapachu leptonów, wymagałoby to nowego zjawiska fizycznego, takiego jak istnienie nowych cząstek elementarnych lub nowych oddziaływań. Trwają dalsze badania dotyczące powiązanych procesów z wykorzystaniem istniejących danych LHCb. Będziemy podekscytowani widząc, czy wzmocnią one intrygujące wskazówki w obecnych wynikach - powiedział profesor Chris Parkes, rzecznik LHCb.

- Wynik daje intrygującą wskazówkę dotyczącą nowej fundamentalnej cząstki lub siły, która oddziałuje w sposób, w jaki cząstki obecnie znane nauce nie oddziałują. Jeśli potwierdzą to dalsze pomiary, będzie to miało głęboki wpływ na nasze rozumienie przyrody na najbardziej podstawowym poziomie – zaznaczył Daniel Moise, który po raz pierwszy podzielił się ze światem wynikami z LHCb na konferencji Moriond Electrweak Physics.

Wyniki przedstawione przez CERN zgadzają się z anomaliami mierzonymi zarówno w LHC jak i w innych eksperymentach na całym świecie w ostatniej dekadzie. Nowe wyniki określają stosunek między prawdopodobieństwami rozpadów z większą precyzją niż poprzednie pomiary i po raz pierwszy wykorzystują wszystkie dane zebrane przez detektor LHCb do tej pory.

 

Źródło: CENR, University of Zurich, Imperial College London, fot. CERN. Na zdjęciu bardzo rzadki rozpad mezonu pięknego z udziałem elektronu i pozytonu obserwowany w LHCb