Będzie nowa fizyka? Ciekawe wyniki z Wielkiego Zderzacza Hadronów

Świat nowej fizyki wydaje się być coraz bliżej - to wnioski, które mogą wynikać z najnowszych badań nad rzadkimi rozpadami mezonów pięknych. Badania przeprowadzili fizycy pracujący przy akceleratorze LHC, w tym Polacy.

To jeszcze nie jest odkrycie. Coraz więcej wskazuje jednak, że fizycy pracujący przy akceleratorze LHC w ośrodku Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN pod Genewą natrafili na pierwszy ślad fizyki wykraczającej poza dotychczasową teorię budowy materii. Wniosek ten płynie z najnowszej analizy danych zebranych w 2011 i 2012 roku w eksperymencie LHCb. Istotny wkład w analizę wnieśli fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. O wynikach poinformowali PAP w środę przedstawiciele IFJ PAN.

„W żargonie kinowym moglibyśmy powiedzieć, że wcześniej docierały do nas jedynie pewne przecieki z planu filmowego, natomiast teraz LHC wypuścił pierwszy naprawdę porządny zwiastun swojego nadchodzącego przeboju” - mówi prof. dr hab. Mariusz Witek (IFJ PAN).

MODELOWE STANDARDY

Do opisu budowy materii w skali cząstek elementarnych używa się obecnie Modelu Standardowego, zestawu narzędzi teoretycznych skonstruowanego w latach 70. ubiegłego wieku. Cząstki, które obecnie uważamy za elementarne, pełnią w nim różne funkcje.

„Przewidywania formułowane w ramach Modelu Standardowego znakomicie zgadzają się z rzeczywistością. Mimo to jesteśmy pewni, że Model nie jest teorią ostateczną. Nie wyjaśnia, dlaczego cząstki mają takie a nie inne masy, ani dlaczego fermiony tworzą wyraźne rodziny. Skąd się wzięła dominacja materii nad antymaterią we współczesnym Wszechświecie? Czym jest ciemna materia? To kolejne pytania bez odpowiedzi. Co więcej, w Modelu w ogóle nie ma grawitacji!” - mówi prof. Witek.

ZAMIANA NA NOWSZY MODEL

Naukowcy pracujący przy LHC koncentrowali się dotychczas na poszukiwaniu bozonu Higgsa (eksperymenty ATLAS i CMS), poznawaniu różnic między materią a antymaterią (eksperyment LHCb) oraz badaniach plazmy kwarkowo-gluonowej (eksperyment ALICE). Obecnie coraz więcej uwagi poświęca się wykryciu cząstek elementarnych spoza Modelu Standardowego. W eksperymentach ATLAS i CMS cząstki te próbuje się rejestrować bezpośrednio. Jest jednak możliwe, że masy nowych cząstek są zbyt duże w stosunku do możliwości akceleratora LHC.

Wtedy jedynym sposobem wykrycia nowej fizyki byłoby znalezienie nie samych nowych cząstek, a zjawisk, których przebieg można byłoby tłumaczyć ich udziałem. Mogłyby to być zjawiska dotychczas nieznane, ale nowa fizyka mogłaby także zmieniać prawdopodobieństwo zachodzenia zjawisk już znanych bądź wpływać na ich przebieg.

B. PIĘKNA ANOMALIA

Jeszcze w 2011 roku, tuż po zebraniu pierwszych danych w eksperymencie LHCb, zauważono ciekawą anomalię związaną z mezonami pięknymi B, o której poinformowano na stronie WWW eksperymentu. Mezony te składają się z powszechnego w naturze kwarka dolnego (jednego ze składników protonów i neutronów) oraz antykwarka pięknego, wytwarzanego w akceleratorach. Jako cząstki zbudowane z par kwark-antykwark, mezony są układami nietrwałymi i szybko się rozpadają. Anomalię zaobserwowano w jednym z rozpadów mezonów B, prowadzącym do powstania m. in. dwóch mionów.

Dr inż. Marcin Chrząszcz z IFJ PAN, jeden z głównych autorów obecnej analizy, zaproponował alternatywną metodę, która powinna lepiej spisać się w opisie stanu końcowego rozpadu mezonów B na dwa miony. Badania po stronie polskiej finansowane były przez Narodowe Centrum Nauki oraz z Diamentowego Grantu dr. inż. Marcina Chrząszcza.

ODCHYŁ, ALE JESZCZE W NORMIE

„Przy poszukiwaniach nowych zjawisk lub cząstek przyjmuje się, że efekt różniący się od przewidywań o ponad trzy odchylenia standardowe – 3 sigma – stanowi wskazówkę, ale o odkryciu można mówić dopiero wtedy, gdy dokładność wzrośnie powyżej 5 sigma. Mówiąc nieco inaczej, 5 sigma oznacza prawdopodobieństwo mniejsze niż jeden do trzech i pół miliona, że przypadkowa fluktuacja da wynik taki jak obserwowany. Przy obecnie znalezionej liczbie takich rozpadów i dokładności naszej analizy odchylenie sięga ponad 3,7 sigma. Jeszcze nie możemy mówić o odkryciu, ale z pewnością mamy interesującą wskazówkę” - mówi dr Chrząszcz.

Naukowcy próbują więc wyjaśnić zaobserwowany efekt. Wśród teoretyków najpopularniejsza jest hipoteza o istnieniu nowego bozonu pośredniczącego Z\' (zet prim), zaangażowanego w rozpad mezonów B. To bozon, którego istnienia nie uwzględnia Model Standardowy. Jednak wciąż nie jest wykluczone, że efekt da się wyjaśnić w ramach Modelu Standardowego, nie odnosząc się do nowych, nie ujętych w nim cząstek.

LHC rozpoczął ostatnio nowy cykl pracy i zderza protony z coraz większymi energiami. Pod koniec tego roku do rąk fizyków powinna trafić kolejna porcja danych dotyczących rozpadów mezonów B, a dwa - trzy lata później pojawią się ostateczne analizy. Nie jest wykluczone, że wtedy nowa fizyka stanie się faktem. „To jak w dobrym kinie: nikt nie wie, jaki będzie finał, ale wszyscy nie mogą się go doczekać” - podsumowuje prof. Witek.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ula/