Dodano: 03 sierpień 2018r.

IFJ PAN: coraz mniejsze szanse na "nową fizykę"

Ślady "nowej fizyki", wykraczającej poza Model Standardowy, mogłyby kryć się w procesach związanych z rozpadami barionów. Analiza przeprowadzona przez naukowców z IFJ PAN wykazała jednak, że jedne z najrzadszych rozpadów barionów nie wykazują żadnych anomalii.

 

Bariony to zlepki trzech kwarków, które mogą się rozpadać na mniejsze cząstki. Zazwyczaj tego typu procesy przebiegają w paru etapach, czyli rezonansowo. Czasem zdarza się jednak, że barion rozpada się na kilka cząstek pochodnych nie w kaskadzie zdarzeń, lecz od razu, za jednych zamachem - albo, jak określają to fizycy: nierezonansowo. Jak tłumaczy Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, rozwijany od pół wieku Model Standardowy - najdoskonalsze narzędzie współczesnej fizyki służące do opisu zjawisk zachodzących wśród cząstek elementarnych - przewiduje, że nierezonansowe rozpady barionów są ekstremalnie rzadkie. W zależności od typu barionu powinny się pojawiać raz na miliardy przypadków lub z jeszcze mniejszą częstotliwością.

- Gdyby częstotliwość jakichś rozpadów nierezonansowych była inna niż przewidywana przez Model Standardowy, mogłaby świadczyć o istnieniu nieznanych dotychczas procesów i cząstek, a zatem o "nowej fizyce". To dlatego rozpady nierezonansowe od dłuższego czasu przykuwają naszą uwagę - wyjaśnia cytowany w komunikacie prof. Mariusz Witek z IFJ PAN.

 

Prof. Witek kierował pięcioosobową grupą krakowskich fizyków, zajmującą się poszukiwaniami nierezonansowych rozpadów barionów powabnych Lambda c w danych zebranych w 2011 i 2012 roku w międzynarodowym eksperymencie LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w Genewie. Wyniki tej analizy zostały opublikowane w piśmie "Physical Review".

Dlaczego uwagę krakowskich badaczy przykuły bariony Lambda c - czyli cząstki zbudowane z kwarków dolnego d, górnego u i powabnego c? Jak tłumaczy w komunikacie IFJ PAN, najbardziej masywny kwark t ulega tak szybkiemu rozpadowi, że w ogóle nie łączy się z innymi kwarkami - a więc nie tworzy barionów, których rozpady można byłoby rejestrować. Rozpady barionów z drugim pod względem masy kwarkiem pięknym b analizowano już wcześniej, m.in. dlatego, że świadczące o ich zachodzeniu sygnały były nieco łatwiejsze do wychwycenia. Grupa krakowska wniosła tu swój wkład, przyczyniając się do wykrycia ciekawego odchylenia od przewidywań teoretycznych. 

W grupie barionów zawierających kwarki ciężkie niezbadane wciąż pozostawały bariony powabne.

- Model Standardowy przewiduje, że nierezonansowe rozpady barionów Lambda c, których efektem są trzy cząstki: proton i dwa miony, powinny się pojawiać mniej więcej raz na setki miliardów rozpadów. To znacznie rzadsze zjawisko niż rozpady barionów z kwarkiem pięknym b, którymi zajmowaliśmy się wcześniej - podkreśla dr hab. Marcin Chrząszcz (IFJ PAN).

- Pomiary i analizy są teraz znacznie trudniejsze, trzeba przyjrzeć się wielokrotnie większej grupie zdarzeń zarejestrowanych w eksperymencie LHCb. Warto to jednak robić, bo w nagrodę można natrafić na trop znacznie bardziej subtelnych procesów. Gdyby udało się tu zaobserwować jakąkolwiek niezgodność z przewidywaniami, najprawdopodobniej byłaby ona zwiastunem "nowej fizyki" - dodaje fizyk.

W przypadku tak rzadkich zjawisk odróżnienie sygnałów świadczących o nierezonansowych rozpadach barionów Lambda c od szumu tła okazało się zadaniem żmudnym i czasochłonnym. Mimo to krakowskim fizykom udało się stukrotnie poprawić górną granicę na częstotliwość występowania rozpadów nierezonansowych. Oszacowano ją na mniejszą od jednego przypadku na setki milionów.

- Uwzględnienie kolejnych danych, w tym z drugiego cyklu pracy akceleratora LHC, powinno już wkrótce poprawić nasz wynik o czynnik 10. Bylibyśmy więc już bardzo blisko przewidywań Modelu Standardowego. Jeśli w rozpadach barionów Lambda c przejawia się jakaś "nowa fizyka", będzie to ostatni dzwonek, by mogła się ujawnić. Na razie nie widać jej najmniejszego śladu - podsumowuje prof. Witek.

W trakcie analiz krakowscy badacze zaobserwowali również rozpady rezonansowe, w których barion Lambda c rozpadał się na proton i mezon omega. Jak przyznają, pewnym zaskoczeniem okazał się brak sygnałów świadczących o jeszcze innej ścieżce rozpadu rezonansowego: na proton i mezon rho. Wynik ten okazał się jednak zgodny z przewidywaniami teoretycznymi.

 

Źródło: PAP - Nauka w Polsce, fot. IFJ PAN, CERN, The LHCb Collaboration. Na górze sygnał nierezonansowego rozpadu na proton i dwa miony, poniżej sygnał dla rozpadu rezonansowego z udziałem mezonu omega.