Nowa podstawowa fizyka? Niewyjaśnione zjawiska z eksperymentu Wielkiego Zderzacza Hadronów

Wyniki ogłoszone przez badanie LHCb w CERN Więcej wskazówek ujawniło zjawiska, których nie można wyjaśnić naszą obecną teorią fizyki fundamentalnej.

W marcu 2020 r. ten sam eksperyment ujawnił dowody na to, że cząstki złamały jedną z podstawowych zasad Modelu Standardowego — naszą najlepszą teorię cząstek i sił — wskazując na możliwość pojawienia się nowych podstawowych cząstek i sił.

obecnie, Więcej pomiarów Fizycy z Cavendish Laboratory w Cambridge odkryli podobne efekty, wzmacniając argumenty za nową fizyką.

Model Standardowy opisuje wszystkie znane cząstki tworzące wszechświat oraz siły, które z nimi oddziałują. Jak dotąd przeszedł wszystkie testy eksperymentalne, ale fizycy wiedzą, że musi być niekompletny. Nie uwzględnia siły grawitacji i nie może wyjaśnić, w jaki sposób materia jest wytwarzana podczas wielka eksplozjaNie zawiera cząstki, która mogłaby wyjaśnić tajemniczą ciemną materię, o której astronomowie mówią nam, że jest pięć razy bardziej obfita niż rzeczy, które tworzą widzialny świat wokół nas.

W rezultacie fizycy od dawna poszukiwali fizycznych znaków poza Modelem Standardowym, które mogą pomóc nam rozwiązać niektóre z tych tajemnic.

Jednym z najlepszych sposobów poszukiwania nowych cząstek i sił jest badanie cząstek znanych jako kwarki piękności. Są to dziwni kuzyni kwarków górnych i dolnych, które tworzą ich odpowiednie jądra kukurydza.

Kwarki piękne nie występują na całym świecie w dużych ilościach, ponieważ są niewiarygodnie krótkotrwałe – żyją średnio tylko przez jedną bilionową sekundy, zanim przekształcą się lub rozpadną na inne cząstki. Jednak miliardy pięknych kwarków są produkowane każdego roku przez gigantyczny akcelerator cząstek w CERN, Wielki Zderzacz Hadronów, który jest rejestrowany przez specjalnie zbudowany detektor o nazwie LHCb.

Jaskinia eksperymentalna LHCb w LHC-IP 8. Źródło: CERN

Na sposób rozpadu kwarków pięknych może wpływać obecność nieodkrytych sił lub cząstek. W marcu zespół fizyków LHCb opublikował wyniki pokazujące, że kwarki piękne rozkładały się na cząstki zwane mionami rzadziej niż ich lżejsze odpowiedniki, elektrony. Nie da się tego wyjaśnić w Modelu Standardowym, który traktuje elektrony i miony identycznie, poza tym, że elektrony są około 200 razy lżejsze od mionów. W rezultacie kwarki piękności muszą rozpadać się na miony i elektrony w równym tempie. Zamiast tego fizycy LHCb odkryli, że rozpad mionów występuje tylko o 85% częściej wraz z rozpadem elektronów.

Różnica między wynikiem LHCb a Modelem Standardowym wynosiła około trzech jednostek błędu eksperymentalnego, czyli „3 sigma”, jak to jest znane w fizyce cząstek elementarnych. Oznacza to, że istnieje tylko jedna szansa na tysiąc, że wynik jest spowodowany przez przypadek statystyczny.

Zakładając, że wynik jest prawidłowy, najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że nowa siła przyciągająca elektrony i miony z różnymi siłami zakłóca rozpad tych kwarków pięknych. Jednak aby ustalić, czy efekt jest rzeczywisty, potrzeba więcej danych, aby zmniejszyć błąd eksperymentalny. Dopiero gdy wynik osiągnie próg „5 sigma”, gdy jest mniej niż jedna na milion szansa, że ​​jest to przypadek losowy, fizycy cząstek zaczną uważać to za prawdziwe odkrycie.

„Fakt, że widzieliśmy ten sam efekt, który nasi koledzy widzieli w marcu, z pewnością zwiększa szanse, że naprawdę możemy być bliscy odkrycia czegoś nowego” – powiedział dr Harry Cliff z Cavendish Laboratory. „Wspaniale jest rzucić więcej światła na tajemnicę”.

Dziś kalendarz Zbadaj dwa nowe rozkładające się kwarki piękności z tej samej rodziny rozpadów, które wykorzystano w wyniku Marsa. Zespół odkrył ten sam efekt – rozpad mionów występował tylko w około 70% w miarę rozpadu elektronu. Tym razem błąd jest większy, co oznacza, że ​​odchylenie jest bliskie „2 sigma”, co oznacza, że ​​istnieje nieco ponad 2% szans, że jest to wynik statystycznej wady danych. Chociaż odkrycie samo w sobie nie jest rozstrzygające, stanowi dodatkowe wsparcie dla rosnącego stosu dowodów na to, że nowe fundamentalne siły czekają na odkrycie.

Profesor Val Gibson powiedział: „Podekscytowanie rośnie w Wielkim Zderzaczu Hadronów, gdy zmodernizowany detektor LHCb ma zostać uruchomiony i zbierać więcej danych, które dostarczą statystyk potrzebnych do stwierdzenia lub obalenia ważnego odkrycia”. Laboratorium Cavendisha.