U sudaraču čestica u CERN-u, retko viđen događaj dovodi nas zapanjujuće blizu ivice nove fizike.
Od godina vođenja onoga što je poznato kao eksperiment NA62, fizičarka čestica Kristina Lazeroni sa Univerziteta u Birmingemu u Velikoj Britaniji i njene kolege su sada ustanovile, eksperimentalno posmatrale i izmerile raspad čestice naelektrisanog kaona na nabijeni pion i neutrino-antineutrinski par. Istraživači su svoje nalaze predstavili na seminaru CERN-a.
To je uzbudljiva stvar. Razlog zašto tim tako nemilosrdno prati ovu veoma specifičnu vrstu kanala raspada više od decenije je zato što je to ono što je poznato kao „zlatni“ kanal, što znači da je ne samo neverovatno redak, već je i dobro predviđen kompleksnom matematikom čineći Standardni model fizike.
Ta retkost i preciznost čine ga veoma osetljivim meračem za otkrivanje nove fizike. Ipak, samo je prikupljanjem neverovatne količine podataka koji pokrivaju bezbroj sudara čestica, tim mogao da potvrdi svoje otkriće kao tačno prema čuvenom standardu statističke sigurnosti „pet sigma“.
„Ova teška analiza je rezultat odličnog timskog rada i izuzetno sam ponosan na ovaj novi rezultat“, kaže Lazeroni.
Kaoni se sastoje od kombinacije kvarka i različite kvarkove antičestice vezane pod jakom silom, koje se brzo raspadaju na prilično jedinstven način koji fizičari opisuju kao „čudan“. Ova čudna karakteristika ih je učinila zgodnim alatom u određivanju pravila o tome kako bi čestice uopšte trebalo da se ponašaju.
Proizvodnja kaona nije posebno teška, ako imate odgovarajuću opremu. Koristeći super protonski sinhrotron u CERN-u, istraživači ispaljuju snop visokoenergetskih protona na stacionarnu metu berilijuma. Ovo proizvodi sekundarni snop od oko milijardu čestica u sekundi, od kojih je oko 6 procenata vrsta kaona koji se naplaćuje.
Kaoni nemaju dug životni vek; formiraju se i raspadaju za stomilioniti deo sekunde. Dakle, u tom sekundarnom snopu, raspad kaona se stalno dešava, generalno se pretvarajući u super teškog rođaka elektrona koji se zove mion i neutrina.
Međutim, u oko 13 od svakih 100 milijardi raspada kaona, rezultat je antineutrino, neutrino i nestabilna čestica napravljena od drugog ukusa kvarka i antikvarka koji se zove pion.
„Kaoni i pioni su čestice koje sadrže kvarkove. Činjenica da su kvarkovi različitih tipova (gore, dole, čudni, šarm, lepota, vrh) naziva se ukus“, rekao je Lazerino za ScienceAlert.
„Retkost ovog raspada je povezana sa činjenicom da u njemu dolazi do promene ukusa kvarka koja je posredovana Z bozonom i proizvodi pion i neutrino. To se može desiti samo uz prilično složen proces, otuda njegova retkost .“
Količina raspada kaona potrebna za posmatranje ovog procesa je astronomska, ali to nije kraj uključenih izazova. Neutrino je poznato da je teško otkriti takav kakav jeste, i uništiće se sa svojim antineutrinskim partnerom skoro trenutno; za eksperiment NA62, istraživači ne pokušavaju da otkriju par neutrina i antineutrina.
To je samo naelektrisani pion, ili ‘pi+’, to je igla, usred ogromnog plasta sena drugih naelektrisanih kaona (K+) raspada.
„Svi ostali K+ raspadi koje želimo da odbacimo nazivaju se pozadinom i imaju čestice koje se mogu detektovati. Izazov je da ih otkrijemo sve i uvek, tako da kada vidimo K+ do pi+ i ništa drugo, sigurni smo da nismo izgubili bilo šta i to je zaista signal“, objasnio je Lazerino.
Zato, kada je tim objavio svoj prvi set rezultata 2019. godine, oni nisu bili sasvim na nivou statističke sigurnosti od pet sigma koji su otkrili. Sada su dostigli taj prag.
Sada kada je kanal raspadanja uspostavljen, istraživači mogu preći na traženje bilo kakvih odstupanja koja bi mogla ukazivati na novu fiziku. Broj raspada od kaona do piona i neutrina/antineutrina koji je tim primetio veći je od 8,4 na 100 milijardi predviđenih Standardnim modelom, ali je i dalje unutar parametara nesigurnosti.
Da bi se pronašla nova fizika, moraće se uočiti veće odstupanje u broju raspada.
„Standardni model je bio veoma dobar za predviđanje dosadašnjih zapažanja, ali znamo da mora da ima nedostatke. Kao da ne uključuje model za tamnu materiju, a neravnoteža materije i antimaterije je premalo redova veličine u odnosu na Šta je potrebno za predstavljanje Univerzuma, očekujemo da se pojavi nova fizika, ali uopšteno govoreći, očekujemo da će biti prisutne nove čestice (i sile).
„NA62 je već akumulirao više podataka i nastaviće se još tri godine. Sa ukupnim podacima, moći ćemo da utvrdimo sa određenom preciznošću da li je u skladu sa Standardnim modelom.“
Kako divno uzbudljivo.
Tim je predstavio svoje rezultate na CERN seminaru.
