Naukowcy pracujący we współpracy z CMS poinformowali o prawdopodobnym odkryciu nieznanej cząstki rozpadającej się na miony o łącznej masie 28 GeV. Obecnie żaden model teoretyczny nie przewiduje istnienia tej cząstki, ale naukowcy mają nadzieję, że ta anomalia nie jest wynikiem błędu statystycznego. Wstępny wydruk obserwacji jest dostępny w repozytorium arXiv.org. Szczegółowo opowiemy o badaniu, które może okazać się zarówno przełomowym odkryciem, jak i kolejnym zaciągnięciem się.
Piekielna cewka
Compact Muon Solenoid lub CMS (Compact Muon Solenoid) to duży detektor cząstek elementarnych zlokalizowany w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). To gigantyczne urządzenie o średnicy 15 metrów i wadze 15 tysięcy ton jest przeznaczone do poszukiwania Nowej Fizyki - fizyki poza Model Standardowy. Jeśli Model Standardowy opisuje właściwości wszystkich znanych cząstek elementarnych (a niektóre nie zostały jeszcze potwierdzone), to hipotezy w ramach Nowej Fizyki próbują wyjaśnić różne zjawiska, które wciąż pozostają tajemnicą dla naukowców.
Zgodnie z jedną z hipotez - supersymetrią - każda znana cząstka elementarna odpowiada superpartnerowi o większej masie. Na przykład partnerem elektronu, którym jest fermion, jest bozon selekcyjny, a partnerem gluonu (którym jest bozon) jest gluino fermion. Jednak brak wyników potwierdzających supersymetrię doprowadził do tego, że model ten jest porzucany przez coraz więcej naukowców.
Wewnątrz detektora zachodzą zderzenia proton-proton. Każdy proton składa się z trzech kwarków, które są trzymane razem przez pole gluonowe. Z dużą prędkością, porównywalną z prędkością światła, pole gluonowe zamienia się w „zupę” cząstek - gluonów. Podczas czołowego zderzenia protonów tylko kilka kwarków lub gluonów oddziałuje ze sobą, a reszta cząstek przelatuje bez przeszkód. Zachodzą reakcje, w wyniku których powstaje wiele krótkotrwałych cząstek, a różne detektory CMS rejestrują produkty ich rozpadu, w tym miony. Miony przypominają elektrony, ale są 200 razy masywniejsze.
Przy pomocy detektorów umieszczonych na zewnątrz solenoidu naukowcy są w stanie dokładnie śledzić trajektorie mionów i określić, co dokładnie spowodowało pojawienie się określonej cząstki. Do zwiększenia prawdopodobieństwa powstania rzadkiej cząstki, która rozpadnie się na miony, potrzeba dużej liczby zderzeń proton-proton. Generuje to astronomiczną ilość danych (około 40 terabajtów na sekundę), a aby szybko znaleźć w nich coś niezwykłego, stosuje się specjalny system wyzwalający, który decyduje, jakie informacje zapisać.
Film promocyjny:
Duch w środku
CMS wraz z detektorem ATLAS, również zlokalizowanym w LHC, posłużył do poszukiwania bozonu Higgsa przewidzianego przez Model Standardowy. Cząstka ta odpowiada za masę bozonów W i Z (nośników oddziaływania słabego) oraz za brak masy w fotonie i gluonie. W 2012 roku odkryto bozon Higgsa o masie 125 GeV. Jednak naukowcy są przekonani, że poza modelem standardowym mogą istnieć inne bozony Higgsa o mniejszej masie. Są one przewidywane przez model Higgsa z dwoma dubletami i NMSSM (następny do minimalnego supersymetrycznego modelu standardowego). Pomimo wszystkich testów eksperymentalnych naukowcy nadal nie byli w stanie udowodnić ani obalić tych hipotez.
Naukowcy z CMS szukają innych lekkich egzotycznych cząstek. Należą do nich np. Ciemne fotony - nośniki zupełnie nowego fundamentalnego oddziaływania, przypominającego oddziaływanie elektromagnetyczne, analogiczne do fotonów ciemnej materii. Inną hipotetyczną cząstką jest ciemny odpowiednik bozonu Z.
Fizycy przeprowadzili eksperyment, aby znaleźć dowody na istnienie lekkiego bozonu, który jest emitowany przez parę pięknych kwarków (kwarków b) i rozpada się na mion i antymion. Podczas eksperymentu w zderzeniach proton-proton przy energii w środku układu masy (układzie, w którym cząstki mają równe i przeciwnie skierowane pędy) równej 8 TeV, zarejestrowano szereg zdarzeń, które prawdopodobnie są związane z hipotetycznym bozonem.
Pierwszy typ zdarzeń obejmuje pojawienie się dżetu kwarków b w środku detektora i jego przedniej części, a drugi - pojawienie się dwóch dżetów w środku i ani jednego dżetu w przedniej części. W obu przypadkach zaobserwowano nadmiar powstających par mionów, podczas gdy masa tych par, jak wykazała późniejsza analiza, osiągnęła 28 GeV. Różnica w liczbie par mionów od wartości tła dla zdarzeń pierwszego rodzaju wynosi 4,2 odchylenia standardowego (sigma), a dla zdarzeń drugiego rodzaju 2,9 sigma.
Śmierć fizyki
W fizyce cząstek elementarnych różnica pięciu sigma wskazuje na istnienie anomalii, która nie mogła powstać przez przypadek. Jeśli jednak różnica leży w zakresie 3-5 sigma, fizycy twierdzą, że oznacza to jedynie istnienie nowej cząstki. W tym drugim przypadku konieczne jest uzyskanie znacznie większej ilości danych, aby potwierdzić (lub obalić) wynik, aby wykluczyć błędy w przetwarzaniu i interpretacji danych. Jeśli wszystko jest potwierdzone, możemy powiedzieć, że miony powstają w wyniku rozpadu cząstki Nowej Fizyki.
To nie pierwszy raz, kiedy w LHC zaobserwowano zjawisko, które nie pasuje do Modelu Standardowego. W 2016 roku fizycy ogłosili odkrycie oznak istnienia rezonansu odpowiadającego masywnej, krótkotrwałej cząstce. Zarejestrowano ją w 2015 roku jako nadmiar par fotonów o łącznej masie 750 GeV, na które podobno ta cząstka się rozpada. Innymi słowy, ta cząstka powinna być sześć razy masywniejsza niż bozon Higgsa. Jednak analiza danych zebranych w zderzaczu później nie potwierdziła tego wyniku.
Do tej pory fizycy nie znaleźli żadnych wiarygodnych śladów istnienia Nowej Fizyki. Nie ulega jednak wątpliwości, że powinien istnieć, ponieważ Model Standardowy nie jest w stanie wyjaśnić takich zjawisk, jak problem hierarchii mas fermionów (aby go rozwiązać, wprowadzono hipotetyczny bozon Goldstone'a), istnienie masy w neutrinach, asymetria materii i antymaterii, pochodzenie ciemnej energii i inne. Sama obecność ciemnej materii we Wszechświecie zakłada całą klasę hipotetycznych cząstek o egzotycznych właściwościach, które ją tworzą. Paradoksalnie, wszystko, co naukowcy byli w stanie dotychczas zrobić, to eksperymentalnie potwierdzić wyczerpany Model Standardowy.
Niektórzy naukowcy sugerują, że jeśli możliwe jest udowodnienie Nowej Fizyki, powinno to nastąpić w najbliższej przyszłości, w ciągu najbliższych kilku lat. W przeciwnym razie będzie można poważnie obawiać się, że ludzkość nie będzie już w stanie dokonać znaczących odkryć. To zachęcające, że ostatnio coraz więcej anomalii obserwuje się w akceleratorach, co sugeruje, że naukowcy są na skraju czegoś zupełnie nowego.
Alexander Enikeev