Dziwny wzór znaleziony w największym na świecie akceleratorze cząsteczek

Naukowcy pracujący przy największym na świecie niszczycielu atomów dostrzegli w swoich danych dziwny wzór, którego nie można wyjaśnić obecnymi prawami natury.

W jednym z czterech ogromnych eksperymentów prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider / LHC) w Genewie stwierdzono, że tak zwane kwarki b nie zachowują się tak, jak powinny, zgodnie z naszą najlepszą teorią dotyczącą podstawowego elementy budulcowe materii oddziałują na siebie: model standardowy.

Jeśli zwariowane zachowanie cząstek jest rzeczywiste, a nie tylko przypadkowe, ma to ogromne konsekwencje dla zrozumienia materii przez fizyków i podstawowych zasad rządzących wszechświatem. Może to doprowadzić do odkrycia nowej fundamentalnej siły natury lub zastąpienia Modelu Standardowego jeszcze “głębszą teorią”.

„Trzęsliśmy się, kiedy po raz pierwszy patrzyliśmy na wyniki, byliśmy bardzo podekscytowani. Nasze serca zabiły trochę szybciej” – powiedział w oświadczeniu Mitesh Patel z Imperial College London, jeden z czołowych fizyków pracujących nad eksperymentem. „Jest za wcześnie, aby stwierdzić, czy to naprawdę odchylenie od Modelu Standardowego, ale potencjalne implikacje są takie, że te wyniki są najbardziej ekscytującą rzeczą, jaką zrobiłem w tej dziedzinie od 20 lat.”

Wewnątrz LHC – 27-kilometrowego podziemnego pierścienia – protony poruszają się wokół z prędkością bliską prędkości światła, a następnie zderzają się ze sobą. Wynik? Z tych zderzeń powstają nowe, czasem egzotyczne cząsteczki. Im szybciej te protony poruszają się, tym więcej mają energii. Im więcej mają energii, tym masywniejsze mogą być powstałe w ten sposób cząstki. Rozbijacze atomów, takie jak LHC, wykrywają możliwe nowe cząstki, szukając charakterystycznych produktów rozpadu, ponieważ cięższe cząstki są zwykle krótkotrwałe i natychmiast rozpadają się na lżejsze cząstki.

Jednym z celów LHC jest przetestowanie Modelu Standardowego, którego fizycy matematyczni używają do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują. Chociaż model istnieje w swojej ostatecznej formie od połowy lat 70. XX wieku, fizycy nie są z niego zadowoleni i nieustannie szukają nowych sposobów testowania go.

Dzieje się tak, ponieważ model, pomimo tego, że jest naszym najbardziej wszechstronnym i dokładnym modelem fizyki cząstek elementarnych, zawiera ogromne luki, przez co nie jest w stanie wyjaśnić, skąd pochodzi siła grawitacji, z czego składa się ciemna materia i dlaczego jest o wiele więcej materia we wszechświecie niż antymateria.

Model przewiduje również, że kiedy cięższe cząstki rozpadają się, powinny rozpadać się na elektrony równie często, jak na ich cięższego kuzyna, mion. Dzieje się tak, ponieważ Model Standardowy postrzega mion jako idealnie identyczny z elektronem, z wyjątkiem faktu, że mion jest około 200 razy cięższy. Oboje razem z cząstką tau tworzą rodzinę bardzo bliskich krewnych w cząsteczkowym zoo zwanym leptonami.

Mężczyzna jedzie na rowerze obok akceleratorze cząstek w CERN. (Zdjęcie: VALENTIN FLAURAUD / AFP za pośrednictwem Getty Images)

Ale od 2014 roku fizycy obserwujący rozpady cząstek w LHCb [Large Hadron Collider beauty – jeden z siedmiu eksperymentów używających detektorów cząstek elementarnych do gromadzenia danych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN] twierdzą, że zobaczyli zupełnie inny obraz, który obejmuje jeden z sześciu rodzajów kwarków (te drobne cząsteczki, które tworzą protony i neutrony zgniecione w jądrach atomowych): Kiedy typ cząstki zwanej kwarkiem b rozpada się, wydaje się, że wytwarza elektrony znacznie częściej niż miony. Jest to główna sprzeczność z modelem standardowym. Ale najpierw fizycy będą musieli udowodnić ponad wszelką wątpliwość, że to odkrycie jest prawdziwe.

„To naprawdę intrygujący wynik, ale najpierw musimy udowodnić, że jest istotny statystycznie” – powiedział Chris Parkes, eksperymentalny fizyk cząstek elementarnych z Uniwersytetu w Manchesterze i rzecznik LHCb. „Jeśli rzucisz monetą pięć razy z rzędu i za każdym razem wyląduje reszką, to jest to trochę dziwne. Jeśli następnie rzucisz monetę 100 razy i nadal będzie wypadać tylko reszka, wtedy dzieje się coś dziwnego w tym monecie”.

Parkes uważa, że ​​prawdopodobieństwo, że wynikiem jest tylko przypadek, wynosi 1 na 1000. Aby można ogłosić nowe odkrycie, należy zawęzić te szanse do około 1 na 1 000 000. Jednak naukowcy twierdzą, że wkrótce będą w stanie to zrobić.

„Zwykle, gdy zauważysz taki wynik, myślisz: „O rany, musimy zbudować nowy zderzacz”- powiedział Parkes, odnosząc się do faktu, że aby kontynuować wyszukiwanie nowych cząstek, zderzacze muszą być zdolne do przyspieszania cząstek do jeszcze wyższych energii. „Naprawdę ekscytujące jest to, że teraz, gdy otrzymaliśmy tę intrygującą wskazówkę, mamy już mnóstwo danych, które analizujemy, aby potwierdzić nowe odkrycie”.

LHCb instaluje obecnie nową wersje detektora. Parkes spodziewa się, że kiedy ten detektor zostanie uruchomiony w przyszłym roku, będzie jeszcze bardziej czuły na wychwytywanie promieniowania emitowanego przez cząstki powstałe podczas zderzeń o wysokiej energii.

Pomimo niepewności związanej z tym jednym wynikiem, Parkes powiedział, że w połączeniu z innymi obiecującymi wynikami dotyczącymi rozpadów kwarków b, doprowadziło to do atmosfery ostrożnego podniecenia w CERN, organizacji badawczej prowadzącej LHC.

Dzieje się tak, ponieważ jeśli wynik jest prawdziwy, można to wytłumaczyć istnieniem cząstek lub sił wcześniej nieznanych fizyce. Powiedział, że jednym z przykładów może być leptoquark, który jest cząsteczką zdolną do interakcji zarówno z leptonami, jak i kwarkami. Inną możliwością jest to, że mogłaby istnieć zupełnie nowa podstawowa siła.

„Wspaniałe jest to, że wiele z tych analiz jest już w toku” – powiedział Parkes. „Nie mówimy o uzyskaniu odpowiedzi w ciągu najbliższych kilku tygodni, ale nie mówimy też o czekaniu przez lata”.

Źródło: Ben Turner

UK particle physicists have today announced ‘intriguing’ results that potentially cannot be explained by the current laws of nature.

Zdjęcie: Shutterstock

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x