Rozpady „pingwinowe” w CERN. Nowa fizyka jest blisko?

Od pewnego czasu wiadomo, że tzw. Model Standardowy, czyli teoria opisująca cząstki i oddziaływania, musi być niepełna, ponieważ istnieje szereg zjawisk, których wciąż nie potrafimy wyjaśnić.

Chociaż model jest niepełny, pozostaje niezwykle precyzyjny. Dlatego poszukiwania „nowej fizyki” często polegają nie na bezpośrednim odkrywaniu nowych cząstek, lecz na wykrywaniu subtelnych odchyleń w znanych procesach.

Naukowcy z CERN zdołali wykryć takie odchylenia w zbiorze 650 miliardów rozpadów zaobserwowanych w eksperymencie LHCb.

Odstępstwo od Modelu Standardowego

Przyjęty do publikacji w „Physical Review Letters artykuł zawierający analizę z eksperymentu w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN – europejskim laboratorium fizyki cząstek nieopodal Genewy – sugeruje, że doszło do postępu w pomiarze jednego z odstępstw od Modelu Standardowego.

Dotyczy ono rozpadu cząstek zwanych mezonami B na inne cząstki. Wynik stanowi jedną z ostatnich pozostałych anomalii dla fizyków cząstek, którzy poszukują nowej fizyki w szczątkach zderzeń proton–proton, które zamieniają energię w materię.

Czy jest Mezon B?

Mezon B jest cząstką złożoną z kwarka dolnego (bottom) i innego, lżejszego kwarka. Rozpada się na inny mezon zawierający kwark dziwny, znany jako kaon, oraz dwa miony (cięższe odpowiedniki elektronu). Naukowcy stwierdzili, że kąty, pod jakimi produkty końcowe powstają w wyniku rozpadu, nie zgadzają się z przewidywaniami Modelu Standardowego. Dowody na tę anomalię narastają od 2015 roku. Pytanie, jak mierzy się wspomniane kąty?

– Wyprodukowane cząstki przelatują przez materiał detektora i jonizują go, wytwarzając sygnały elektryczne, które są następnie odczytywane poprzez układy elektroniczne. Wiedząc, którędy przeszła cząstka, można wyliczyć kąt jej trajektorii. Ogólnie sprawa jest trochę bardziej skomplikowana, bo te interesujące kąty są zdefiniowane w układzie własnym mezonu B, więc należy jeszcze przeprowadzić zmianę układu współrzędnych – tłumaczy dr Rafał Staszewski z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, naukowiec pracujący przy eksperymencie ATLAS w LHC.

Przewidywania kontra rzeczywistość

– Mamy więc do czynienia z rozkładem kątowym (gęstością prawdopodobieństwa produkcji pod różnymi kątami). Tyle, że Model Standardowy przewiduje pewien rozkład, a obserwowany jest trochę inny – dodaje dr Staszewski.

Fizycy uważają, że rozpad mezonu B – znany jako tzw. rozpad pingwinowy – powinien być szczególnie wrażliwy na dotąd nieodkrytą fizykę. Sama nazwa rozpadu ma zabawną historię. Powstała w 1977 roku, gdy brytyjski teoretyk John Ellis przegrał zakład i musiał użyć słowa „pingwin” w artykule naukowym.

Analiza wykonana przez ekspertów z CERN opierała się na ogromnym zbiorze danych — około 650 miliardów rozpadów zarejestrowanych w latach 2011–2018. Aby wyodrębnić rzadkie przypadki interesującego rozpadu (ok. 1 na miliard), stosowano zaawansowane metody selekcji danych i rekonstrukcji torów cząstek w detektorze. Następnie wyniki porównano z bardzo precyzyjnymi przewidywaniami Modelu Standardowego.

Zmierzone rozkłady kątowe nie zgadzają się z teorią – z istotnością ok. 4 sigma, co oznacza małe prawdopodobieństwo, że to przypadek. Podobny sygnał, choć słabszy, widzi też eksperyment CMS.

Najważniejsze wyniki ostatnich lat

– Sigma oznacza odchylenie standardowe. Każdy wynik pomiaru jest, z matematycznego punktu widzenia, liczbą losową. Jeśli taki pomiar zostałby powtórzony całkowicie niezależnie, wynik byłby inny. Wpływają na to zarówno błędy systematyczne jak i statystyczne – wyjaśnia dr Staszewski.

Dodaje, że aby móc wyciągnąć wnioski z pomiaru, należy wziąć pod uwagę możliwość, że wynik jest efektem błędu pomiaru.

– Rozważmy przykładową sytuację, w której teoria przewiduje wartość jakiegoś parametru równą 0, a mój pomiar daje wartość 1. Jeśli niepewność pomiaru wynosi 1, to istotność statystyczna wynosi 1 sigma. Jeśli natomiast mój błąd wynosiłby 0.1, to istotność statystyczna wynosi 10 sigma. Ma to znaczenie, ponieważ fluktuacje statystyczne na poziomie 1 sigma zdarzają się w ok 30% pomiarów. 2 sigma to niecałe 5%. 3 sigma – poniżej procenta. 4 sigma – 1 / 16000. Tradycyjnym progiem pozwalającym na mówienie o odkryciu nowego efektu jest 5 sigma (1 na niecałe 2 miliony) – mówi ekspert z IFJ PAN.

Kluczowe wyniki. Co przyniesie przyszłość?

– To jeden z najważniejszych wyników ostatnich kilku lat badań prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Szczególnie ekscytujące jest to, że wynik wydaje się być wstępnie potwierdzony przez inny eksperyment LHC, CMS, który również zaobserwował rozbieżność w tym rozpadzie mezonu B, choć z mniejszą istotnością statystyczną – mówi William Barter, fizyk cząstek z Uniwersytetu w Edynburgu, pracujący przy LHCb.

Fizycy z LHCb nie przeanalizowali jeszcze ogromnej ilości danych dotyczących rozpadów pingwinowych zgromadzonych od 2018 roku. Teraz, gdy wstępna analiza została wykonana, proces ten powinien przyspieszyć, jednak nowych wyników nie należy się spodziewać wcześniej niż w przyszłym roku.

Źródło: Nature

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.