Zachowanie pięknego kwarka może podważyć podstawy fizyki

Kiedy podczas zderzenia wysokoenergetycznych wiązek protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów - akceleratorze cząstek w CERN w Genewie - powstają tak zwane kwarki piękne (beauty)- rozpadają się one niemal natychmiast. W ramach eksperymentu Large Hadron Collider beauty (LHCb) naukowcy rekonstruują właściwości cząstek na podstawie produktów ich rozpadu. Zgodnie z ustalonymi prawami fizyki cząstek - tzw. Modelem Standardowym - oczekuje się, że kwarki piękne rozpadają się z tym samym prawdopodobieństwem do stanu końcowego z elektronami i mionami (miony to znacznie cięższe rodzeństwo elektronów). Jednak prowadzone od 2014 roku pomiary w LHC sugerują, że ta „uniwersalność leptonowa” może zostać naruszona w niektórych rozpadach. W tych rozpadach stosunek produkcji dwóch typów cząstek różni się od teoretycznie przewidywanej jedności.

Członkowie grupy kierowanej przez Nicolę Serrę, profesora na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Zurychu (UZH), są częścią niewielkiego zespołu badawczego, który pracował bezpośrednio nad pomiarem. W najnowszej analizie LHCb stosunek produktów rozpadu zawierających elektrony i miony wyznaczono z dużo większą precyzją w porównaniu z poprzednimi pomiarami, wykorzystując wszystkie dane zebrane do tej pory przez detektor LHCb.

Wynik wskazuje na odchylenie od stosunku jedności, a tym samym na złamanie „uniwersalności leptonowej". Jeśli zaobserwowane naruszenie zostanie potwierdzone, oznaczałoby to fizykę wykraczającą poza Model Standardowy, na przykład nową podstawową siłę oprócz czterech już znanych: grawitacji, elektromagnetyzmu, słabych oddziaływań jądrowych odpowiedzialnych za radioaktywność i silnych oddziaływań jądrowych, które spajają materię.

„Model Standardowy króluje od dziesięcioleci. Naszym zadaniem jako eksperymentatorów jest coraz dokładniejsze testowanie go i sprawdzanie, czy może przetrwać dokładna analizę” - mówi starszy badacz UZH Patrick Owen, który odegrał w badaniach wiodącą rolę. W fizyce cząstek elementarnych obserwacje stają się prawdziwymi odkryciami, jeśli prawdopodobieństwo błędu, biorąc pod uwagę wszystkie znane błędy, jest mniejsze niż jeden na trzy miliony lub 0,00003 proc., dlatego badacze wolą być ostrożni.

"Jest zbyt wcześnie, by wyciągać ostateczne wnioski, jednak odchylenie to zgadza się z wzorcem anomalii, które ujawniły się w ciągu ostatniej dekady” - mówi Nicola Serra. „Na szczęście wspólnota LHCb jest dobrze przygotowana do wyjaśnienia potencjalnego istnienia nowych efektów fizycznych w tych rozpadach. Po prostu potrzebujemy w przyszłości wielu bardziej powiązanych pomiarów" - podsumowuje.

Wyniki został zaprezentowany po raz pierwszy 23 marca na konferencji Morionda poświęconej oddziaływaniom elektrosłabym i zunifikowanym teoriom oraz na seminarium internetowym Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) w Genewie.

Eksperyment LHCb jest jednym z czterech dużych eksperymentów przeprowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN. Jego celem jest badanie rozpadów cząstek zawierających kwark piękny (beauty), który charakteryzuje się dużą masą (ponad czterokrotnie większą niż masa protonu). Precyzyjne pomiary różnic pomiędzy materią a antymaterią oraz rzadkich rozpadów cząstek zawierających kwark piękny pozwalają dokładnie sprawdzać Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych.

Grupy badawcze z UZH i EPFL są członkami wspólnoty LHCb od 1999 r. Tamtejsi naukowcy wnieśli istotny wkład w projekt i konstrukcję detektora LHCb oraz są zaangażowani w jego modernizację. Chodzi o zebranie danych potrzebnych do sprawdzenia, czy anomalie obserwowane w rozpadach kwarków pięknych są rzeczywiste. Od początku zbierania danych w 2009 roku grupa UZH Nicoli Serra odgrywa wiodącą rolę w pomiarach rozpadów cząstek zawierających kwarki piękne.

Zespół UZH ściśle współpracuje również z dwiema grupami pracującymi nad teoretycznym opisem tych zjawisk. Profesor Gino Isidori pracuje nad teoretyczną interpretacją tych rozpadów, zajmując się otwartymi pytaniami dotyczącymi natury podstawowych składników materii i ich interakcji. Profesor Andreas Crivellin z UZH bada możliwe implikacje tych wyników dla innych eksperymentów. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ agt/