Den mest nøjagtige måling af sjældent mesonforfald bekræfter moderne fysik

Alle fysiske teorier er forenklede repræsentationer af virkeligheden, og som følge heraf, har et bestemt anvendelsesområde. Mange forskere, der arbejdede med LHCb -eksperimentet på CERN, havde håbet, at den usædvanlige nøjagtighed ved måling af det sjældne forfald af Bs0 -mesonen endelig ville afgrænse standardmodellens grænser, den nuværende teori om stofets struktur, og afslører fænomener, der er ukendte for moderne fysik. Men det spektakulære resultat af den seneste analyse har kun tjent til at udvide anvendelsesområdet for standardmodellen.

Mesoner er ustabile partikler, der opstår som følge af protonkollisioner. Fysikere er overbeviste om, at i nogle meget sjældne henfald af disse partikler, processer kan potentielt forekomme, der kan afsløre fysik, med deltagelse af tidligere ukendte elementarpartikler. Forskere ved LHC har undersøgt forfaldet af Bs0-mesonen til en muon og en anti-muon. Den seneste analyse, udført til et langt større antal arrangementer end nogensinde før, har opnået et resultat, der viser fremragende overensstemmelse med standardmodellens forudsigelser.

Prof. Mariusz Witek fra Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, siger, "Dette resultat er en spektakulær sejr, kun at det er lidt pyrrhic. Det er, faktisk, et af de få tilfælde, hvor eksperimenter stemmer overens med teorien, men skaber stadig bekymring. Sammen med forbedringen af ​​nøjagtigheden af ​​måling af henfaldene af Bs0 -mesoner, vi forventede at se nye fænomener ud over standardmodellen, som vi med alle ved, bestemt ikke er den ultimative teori. Men i stedet, vi har kun vist, at modellen er mere præcis, end vi oprindeligt troede. "

Standardmodellen er en teoretisk ramme udviklet i 1970'erne til at beskrive fænomener, der forekommer blandt elementære partikler. Modellen beskriver stof som sammensat af elementarpartikler fra en gruppe kaldet fermioner, herunder kvarker (ned, op, mærkelig, charme, sandhed og skønhed) og leptoner (elektroner, muons, tauoner og deres tilhørende neutrinoer). I modellen, der er også partikler af antimateriale forbundet med deres respektive stofpartikler. Mellemliggende bosoner er ansvarlige for at bære kræfter mellem fermioner; fotoner er bærere af elektromagnetiske kræfter; otte slags gluoner er bærere af stærke kræfter; bosoner W+, W- og Z0 er ansvarlige for at bære svage kræfter. Higgs boson, for nylig opdaget på LHC, giver partikler masse (alle bortset fra gluoner og fotoner).

Muoner er elementære partikler med egenskaber, der ligner elektroners, kun omkring 200 gange mere massiv. På tur, B mesoner er ustabile partikler, der består af to kvarker:en skønheds-anti-kvark og en dun, op, mærkelig eller charmekvark. Forfaldet af Bs0-mesonen til en muon og en anti-muon (udstyret med positiv elektrisk ladning) forekommer ekstremt sjældent. I den analyserede periode med LHCb -drift, der var hundredvis af billioner protonkollisioner, hvorunder hele kaskader af desintegrerende sekundære partikler blev registreret. Med et så stort antal begivenheder i en udvælgelsesproces i flere trin, det var kun muligt at udvælge nogle få tilfælde af dette forfald. En af dem kan ses i 3D her.

I sin seneste analyse, LHCb -eksperimentholdet tog ikke kun hensyn til den første, men også den anden fase af driften af ​​LHC. Den dybere statistik gav enestående henfaldsmålingens nøjagtighed af skønhedsmesonen til en muon og anti-muon-op til 7,8 standardafvigelser (almindeligvis betegnet med det græske bogstav sigma). I praksis, dette betyder, at sandsynligheden for at registrere et lignende resultat ved tilfældige udsving er mindre end en til over 323 billioner.

"Den spektakulære måling af forfaldet af skønhedsmesonen til et muon-anti-muon-par stemmer overens med standardmodellens forudsigelser med en nøjagtighed på op til ni decimaler, "siger prof. Witek.

På trods af resultatet, fysikere er overbeviste om, at standardmodellen ikke er en perfekt teori. Det tager ikke hensyn til eksistensen af ​​tyngdekraften, det forklarer ikke materiens dominans over antimateriale i det moderne univers, det giver ingen forklaring på arten af ​​mørkt stof, den giver ingen svar om, hvorfor fermioner består af tre familier. Ud over, for at standardmodellen fungerer, over 20 empirisk udvalgte konstanter skal redegøres for, inklusive massen af ​​hver partikel.

"Den seneste analyse indsnævrer betydeligt værdierne for de parametre, der bør antages af visse aktuelt foreslåede udvidelser af standardmodellen - f.eks. supersymmetriske teorier. De antager, at hver eksisterende type elementarpartikel har sit eget mere massive modstykke - dets superpartner. Nu, som følge af målingerne, teoretikere, der beskæftiger sig med supersymmetri, har en reduceret mulighed for at tilpasse deres teori til virkeligheden. I stedet for at komme tættere på, den nye fysik er igen på vej tilbage, "slutter prof. Witek.

Fysikere planlægger at fortsætte deres undersøgelser af forfaldet af Bs0-mesonen i muon- og anti-muon-parret. Der er stadig en mulighed for, at nye, uopdagede effekter er mindre end forventet og forsvinder fortsat i målefejl.