Οι φυσικοί ανιχνεύουν μυρωδιά νέου σωματιδίου στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων

Για δεκαετίες, οι φυσικοί των σωματιδίων λαχταρούσαν για τη φυσική πέρα ​​από το δοκιμασμένο και αληθινό πρότυπο μοντέλο τους. Τώρα, βρίσκουν σημάδια για κάτι απροσδόκητο στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), τον μεγαλύτερο θρυμματιστή ατόμων στον κόσμο στο CERN, το Ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας. Οι υπαινιγμοί δεν προέρχονται από τους δύο μεγάλους ανιχνευτές του LHC, οι οποίοι δεν έχουν δώσει νέα σωματίδια από τότε που συσσώρευσαν το τελευταίο κομμάτι του τυπικού μοντέλου που έλειπε, το μποζόνιο Higgs, το 2012, αλλά από έναν μικρότερο ανιχνευτή, που ονομάζεται LHCb, που μετρά με ακρίβεια τις διασπάσεις. οικείων σωματιδίων.

Το πιο πρόσφατο σήμα περιλαμβάνει αποκλίσεις στις διασπάσεις των σωματιδίων που ονομάζονται μεσόνια Β - αδύναμα στοιχεία από μόνα τους. Αλλά μαζί με άλλες υποδείξεις, θα μπορούσε να δείξει νέα σωματίδια που βρίσκονται στον ορίζοντα υψηλής ενέργειας. «Αυτό δεν έχει ξανασυμβεί ποτέ, να παρατηρήσουμε ένα σύνολο συνεκτικών αποκλίσεων που θα μπορούσαν να εξηγηθούν με πολύ οικονομικό τρόπο με μία μόνο νέα συμβολή στη φυσική», λέει ο Joaquim Matias, θεωρητικός στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης στην Ισπανία. Ο Ματίας λέει ότι τα στοιχεία είναι αρκετά ισχυρά για ισχυρισμό ανακάλυψης, αλλά άλλοι ζητούν προσοχή.

Ο LHC συνθλίβει πρωτόνια μαζί με πρωτοφανή ενέργεια για να προσπαθήσει να εκτοξεύσει τεράστια νέα σωματίδια, τα οποία θα εντόπιζαν οι δύο μεγάλοι ανιχνευτές του, ATLAS και CMS. Το LHCb εστιάζει σε οικεία σωματίδια, ιδιαίτερα σε μεσόνια Β, χρησιμοποιώντας έναν εξαιρετικά ευαίσθητο ανιχνευτή παρακολούθησης για να μυρίσει τις μικροσκοπικές εκρηκτικές αποσυνθέσεις.

Τα μεσόνια Β αποτελούνται από θεμελιώδη σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ. Τα γνωστά πρωτόνια και τα νετρόνια αποτελούνται από δύο γεύσεις κουάρκ, πάνω και κάτω, συνδεδεμένα σε τρίο. Πιο βαριές γεύσεις κουάρκ - γοητεία, παράξενα, πάνω και κάτω - μπορούν να δημιουργηθούν, μαζί με τα αντίστοιχα της αντιύλης, σε συγκρούσεις σωματιδίων υψηλής ενέργειας. ζευγαρώνουν με αντικουάρκ για να σχηματίσουν μεσόνια.

Διαρκώντας μόνο ένα χιλιοστό του νανοδευτερόλεπτου, τα μεσόνια Β παρέχουν δυνητικά ένα παράθυρο στη νέα φυσική. Χάρη στην κβαντική αβεβαιότητα, το εσωτερικό τους κυλάει με σωματίδια που πετάνε μέσα και έξω από την ύπαρξη και μπορούν να επηρεάσουν τον τρόπο διάσπασής τους. Οποιαδήποτε νέα σωματίδια που γαργαλούν τα μύχια των μεσονίων Β - ακόμη και αυτά που είναι πολύ μεγάλα για να δημιουργήσει ο LHC - θα μπορούσαν να προκαλέσουν απόκλιση των ρυθμών και των λεπτομερειών αυτών των διασπάσεων από τις προβλέψεις του τυπικού μοντέλου. Είναι μια έμμεση μέθοδος κυνηγιού νέων σωματιδίων με αποδεδειγμένο ιστορικό. Στη δεκαετία του 1970, όταν ήταν γνωστά μόνο τα πάνω, τα κάτω και τα παράξενα κουάρκ, οι φυσικοί προέβλεψαν την ύπαρξη του κουάρκ γοητείας ανακαλύπτοντας παραξενιές στις διασπάσεις των μεσονίων Κ (μια οικογένεια μεσονίων που όλα περιείχαν ένα περίεργο κουάρκ συνδεδεμένο με ένα αντικουάρκ).

Στο τελευταίο τους αποτέλεσμα, που αναφέρθηκε σήμερα σε μια ομιλία στο CERN, οι φυσικοί του LHCb διαπιστώνουν ότι όταν ένας τύπος μεσονίου Β διασπάται σε μεσόνιο Κ, τα υποπροϊόντα του παραμορφώνονται:Η διάσπαση παράγει ένα μιόνιο (ξάδερφο του ηλεκτρονίου) και ένα αντιμιόνιο λιγότερο συχνά παρά κάνει ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Στο τυπικό μοντέλο, αυτά τα ποσοστά θα πρέπει να είναι ίσα, λέει ο Guy Wilkinson, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο και εκπρόσωπος της ομάδας 770 μελών LHCb. "Αυτή η μέτρηση έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον γιατί θεωρητικά είναι πολύ, πολύ καθαρή", λέει.

Το αποτέλεσμα είναι μόνο μία από τις μισή ντουζίνα αμυδρές ενδείξεις που οι φυσικοί του LHCb έχουν ανακαλύψει ότι όλα φαίνονται να υποφέρουν. Για παράδειγμα, το 2013, εξέτασαν τις γωνίες στις οποίες αναδύονται τα σωματίδια σε τέτοιες διασπάσεις μεσονίων Β και διαπίστωσαν ότι δεν συμφωνούσαν απόλυτα με τις προβλέψεις.

Το τι δείχνουν όλες αυτές οι ανωμαλίες είναι λιγότερο σίγουρο. Στο τυπικό μοντέλο, ένα μεσόνιο Β διασπάται σε ένα μεσόνιο Κ μόνο μέσω μιας περίπλοκης διαδικασίας "βρόχου" κατά την οποία το κάτω κουάρκ μετατρέπεται για λίγο σε κορυφαίο κουάρκ πριν γίνει ένα παράξενο κουάρκ. Για να γίνει αυτό, πρέπει να εκπέμψει και να επαναρροφήσει ένα μποζόνιο W, ένα "σωματίδιο δύναμης" που μεταφέρει την ασθενή δύναμη (βλ. γράφημα, προηγούμενη σελίδα).

Τα νέα δεδομένα υποδηλώνουν ότι το κουάρκ του πυθμένα μπορεί να μεταμορφωθεί απευθείας σε ένα παράξενο κουάρκ - μια αλλαγή που το τυπικό μοντέλο απαγορεύει - φτύνοντας ένα νέο σωματίδιο που ονομάζεται μποζόνιο Z'. Αυτός ο υποθετικός ξάδερφος του μποζονίου Ζ θα ήταν το πρώτο σωματίδιο πέρα ​​από το τυπικό μοντέλο και θα πρόσθετε μια νέα δύναμη στη θεωρία. Η επιπλέον διαδικασία διάσπασης θα μείωνε την παραγωγή μιονίων, εξηγώντας την ανωμαλία. «Είναι ένα είδος ad hoc κατασκευή, αλλά ταιριάζει υπέροχα στα δεδομένα», λέει ο Wolfgang Altmannshofer, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο του Σινσινάτι στο Οχάιο. Άλλοι έχουν προτείνει ότι ένα υβρίδιο κουάρκ-ηλεκτρονίου που ονομάζεται leptoquark μπορεί να υλοποιηθεί για λίγο στη διαδικασία βρόχου και να παρέχει έναν άλλο τρόπο για να εξηγηθούν οι αποκλίσεις.

Φυσικά, η περίπτωση της νέας φυσικής θα μπορούσε να είναι ένας αντικατοπτρισμός στατιστικών διακυμάνσεων. Οι φυσικοί με ATLAS και CMS πριν από 18 μήνες ανέφεραν υπαινιγμούς ενός τεράστιου όγκου νέου σωματιδίου μόνο για να τα δουν να εξαφανίζονται με περισσότερα δεδομένα. Τα σημερινά σημάδια είναι περίπου τόσο ισχυρά όσο ήταν, λέει ο Altmannshofer.

Το γεγονός ότι οι φυσικοί χρησιμοποιούν το LHCb για να ψάξουν στα ζιζάνια για σημάδια για κάτι νέο υπογραμμίζει το γεγονός ότι ο LHC δεν έχει ακόμη τηρήσει την υπόσχεσή του. «Ο ATLAS και το CMS ήταν οι ανιχνευτές που επρόκειτο να ανακαλύψουν νέα πράγματα και το LHCb θα ήταν πιο συμπληρωματικό», λέει ο Matias. "Αλλά τα πράγματα πάνε όπως πάνε."

Εάν υπάρχουν το Z' ή τα λεπτοκουάρκ, τότε το LHC μπορεί να έχει την ευκαιρία να τα εκτινάξει σε καλόπιστη, αν και φευγαλέα, ύπαρξη, λέει ο Matias. Ο LHC ανεβάζει τώρα στροφές μετά τη χειμερινή διακοπή λειτουργίας του. Τον επόμενο μήνα, οι κυνηγοί σωματιδίων θα επιστρέψουν στην αναζήτησή τους.