SLAC-partikelfysiker diskuterer søgen efter ny fysik

Standardmodellen for partikelfysik beskriver egenskaberne og vekselvirkningerne af stoffets bestanddele. Udviklingen af ​​denne teori begyndte i begyndelsen af ​​1960'erne, og i 2012 blev den sidste brik i puslespillet løst ved opdagelsen af ​​Higgs-bosonen ved Large Hadron Collider (LHC) ved CERN i Schweiz. Eksperimenter har gang på gang bekræftet Standardmodellens meget nøjagtige forudsigelser.

Endnu, forskere har grunde til at tro, at fysik ud over standardmodellen eksisterer og bør findes. For eksempel, Standardmodellen forklarer ikke, hvorfor stof dominerer over antistof i universet. Det giver heller ikke fingerpeg om beskaffenheden af ​​mørkt stof - det usynlige stof, der er fem gange mere udbredt end det almindelige stof, vi observerer.

I denne Q&A, partikelfysiker Vera Lüth diskuterer videnskabelige resultater, der potentielt antyder fysik ud over standardmodellen. Professor emerita i eksperimentel partikelfysik ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory er medforfatter til en oversigtsartikel offentliggjort i dag i Natur der opsummerer resultaterne af tre eksperimenter:BABAR ved SLAC, Belle i Japan og LHCb på CERN.

Hvad er antydningerne til ny fysik, som du beskriver i din artikel?

Hints stammer fra studier af en elementarpartikel, kendt som B-mesonen – en ustabil partikel produceret ved kollision af kraftige partikelstråler. Mere præcist, disse undersøgelser så på henfald af B-mesonen, der involverer leptoner - elektrisk ladede elementarpartikler og deres associerede neutrinoer. Der er tre ladede leptoner:elektronen, en kritisk komponent af atomer opdaget i 1897; myonen, første gang observeret i kosmiske stråler i 1937; og den meget tungere tau, opdaget ved SPEAR elektron-positron (e+e-) lagerring ved SLAC i 1975 af Martin Perl.

På grund af deres meget forskellige masser, de tre leptoner har også meget forskellige levetider. Elektronen er stabil, der henviser til, at myon og tau henfalder i løbet af mikrosekunder og en brøkdel af et picosekund, henholdsvis. En grundlæggende antagelse af standardmodellen er, at interaktionerne mellem de tre ladede leptoner er de samme, hvis deres forskellige masser og levetid tages i betragtning.

Gennem mange år, Forskellige eksperimenter har testet denne antagelse – omtalt som "lepton-universalitet" – og til dato er der ikke observeret nogen sikker overtrædelse af denne regel. Vi har nu indikationer på, at hastighederne for B-meson-henfald, der involverer tau-leptoner, er større end forventet sammenlignet med de målte hastigheder for henfald, der involverer elektroner eller myoner, under hensyntagen til forskelle i masse. Denne observation ville krænke leptons universalitet, en grundlæggende antagelse af standardmodellen.

Hvad betyder en overtrædelse af standardmodellen egentlig?

Det betyder, at der er evidens for fænomener, som vi ikke kan forklare i sammenhæng med Standardmodellen. Hvis et sådant fænomen er fast etableret, Standardmodellen skal udvides – ved at introducere nye fundamentale partikler og også nye interaktioner relateret til disse partikler.

I de seneste år, søgninger efter fundamentalt nye fænomener har været afhængige af højpræcisionsmålinger for at detektere afvigelser fra standardmodellens forudsigelser eller på søgninger efter nye partikler eller interaktioner med egenskaber, der adskiller sig fra kendte.

Hvad er BABAR præcist, Belle og LHCb eksperimenter?

De er tre eksperimenter, der har udfordret leptons universalitet.

Belle og BABAR var to eksperimenter specifikt designet til at studere B mesoner med hidtil uset præcision - partikler, der er fem gange tungere end protonen og indeholder en bund- eller b-kvark. Disse undersøgelser blev udført ved e+e-lagerringe, der almindeligvis omtales som B-fabrikker og opererer ved kolliderende stråleenergier lige høje nok til at producere et par B mesoner, og ingen anden partikel. BABAR opererede på SLAC's PEP-II fra 1999 til 2008, Belle på KEKB i Japan fra 1999 til 2010. Den store fordel ved disse eksperimenter er, at B-mesonerne produceres parvis, hver henfalder til lettere partikler - i gennemsnit fem ladede partikler og et tilsvarende antal fotoner.

LHCb-eksperimentet fortsætter med at fungere ved proton-protonkollideren LHC med energier, der overstiger B-fabrikkernes med mere end en faktor 1, 000. Ved denne højere energi, B-mesoner produceres i meget større hastighed end på B-fabrikker. Imidlertid, ved hver krydsning af bjælkerne, hundredvis af andre partikler produceres ud over B-mesoner. Denne funktion komplicerer i høj grad identifikationen af ​​B-meson-henfald.

At studere lepton-universalitet, alle tre eksperimenter fokuserer på B-henfald, der involverer en ladet lepton og en tilhørende neutrino. En neutrino efterlader ikke spor i detektoren, men dets tilstedeværelse detekteres som manglende energi og momentum i et individuelt B-henfald.

Hvilke beviser har du indtil videre for en potentiel krænkelse af leptons universalitet?

Alle tre eksperimenter har identificeret specifikke B-mesonhenfald og har sammenlignet hastighederne for henfald, der involverer en elektron eller myon, med dem, der involverer tau lepton med højere masse. Alle tre eksperimenter observerer højere end forventet henfaldshastigheder for henfaldene med en tau. Den gennemsnitlige værdi af de rapporterede resultater, under hensyntagen til de statistiske og systematiske usikkerheder, overstiger standardmodellens forventning med fire standardafvigelser.

Denne forbedring er spændende, men anses ikke for tilstrækkeligt til utvetydigt at fastslå en krænkelse af lepton-universaliteten. For at gøre krav på en opdagelse, partikelfysikere kræver generelt en signifikans på mindst fem standardafvigelser. Imidlertid, det faktum, at denne forbedring blev opdaget af tre eksperimenter, opererer i meget forskellige miljøer, fortjener opmærksomhed. Alligevel, flere data vil være nødvendige, og forventes i en ikke alt for fjern fremtid.

Hvad var din rolle i denne forskning?

Som teknisk koordinator for BABAR-samarbejdet under konstruktionen af ​​detektoren, Jeg var bindeleddet mellem fysikerne og ingeniørholdene, støttet af BABAR-projektledelsen hos SLAC. Med mere end 500 BABAR-medlemmer fra 11 lande, det var en udfordrende opgave, men med den kombinerede ekspertise og dedikation af samarbejdet var detektoren færdig og klar til at tage data på fire år.

Når data blev tilgængelige, Jeg meldte mig igen ind i SLAC's forskningsgruppe C og overtog dens ledelse fra Jonathan Dorfan. Som sammenkalder af fysikarbejdsgruppen om B-henfald, der involverer leptoner, Jeg koordinerede forskellige analyser af forskere fra forskellige eksterne grupper, blandt dem SLAC postdocs og kandidatstuderende, og hjalp med at udvikle de analyseværktøjer, der er nødvendige for præcisionsmålinger.

For næsten 10 år siden, vi begyndte at opdatere en tidligere analyse udført under ledelse af Jeff Richman fra University of California, Santa Barbara på B henfalder, der involverer tau leptoner og udvidede det til det komplette BABAR-datasæt. Dette resulterede i den overraskende store forfaldsrate. Analysen var emnet for min sidste kandidatstuderendes ph.d.-afhandling, Manuel Franco Sevilla, som i løbet af fire år har givet en række absolut kritiske bidrag, der markant forbedrede præcisionen af ​​denne måling, og derved øget dens betydning.

Hvad holder dig begejstret for partikelfysik?

I løbet af de sidste 50 år, hvor jeg har arbejdet med partikelfysik, Jeg har været vidne til enorme fremskridt i teori og eksperimenter, der fører til vores nuværende forståelse af materiens bestanddele og deres interaktioner på det mest fundamentale niveau. Men der er stadig mange ubesvarede spørgsmål, fra meget grundlæggende som "Hvorfor har partikler bestemte masser og ikke andre?" til spørgsmål om tingenes store skala, såsom "Hvad er universets oprindelse, og er der mere end én?"

Leptons universalitet er en af ​​standardmodellens grundlæggende antagelser. Hvis den blev overtrådt, uventede nye fysikprocesser skal eksistere. Dette ville være et stort gennembrud - endnu mere overraskende end opdagelsen af ​​Higgs-bosonen, som blev forudsagt at eksistere for mange årtier siden.

Hvilke resultater forventer du i den nærmeste fremtid?

Der sker faktisk meget på området. LHCb-forskere indsamler flere data og vil forsøge at finde ud af, om lepton-universaliteten faktisk er krænket. Mit gæt er, at vi burde kende svaret inden udgangen af ​​dette år. En konfirmation bliver en stor begivenhed og vil uden tvivl udløse intens eksperimentel og teoretisk forskning.

På nuværende tidspunkt forstår vi ikke oprindelsen af ​​den observerede forbedring. Vi antog først, at det kunne være relateret til en anklaget partner til Higgs-bosonen. Selvom de observerede funktioner ikke svarede til forventningerne, en udvidelse af Higgs-modellen kunne gøre det. En anden mulig forklaring, der hverken kan bekræftes eller udelukkes, er tilstedeværelsen af ​​såkaldte lepto-kvarker. Disse åbne spørgsmål vil forblive et meget spændende emne, som skal behandles af eksperimenter og teoretisk arbejde.

For nylig, LHCb-forskere har rapporteret et interessant resultat, der indikerer, at visse B-mesonhenfald oftere omfatter et elektronpar end et myonpar. Imidlertid, betydningen af ​​dette nye fund er kun omkring 2,6 standardafvigelser, så det er for tidligt at drage nogen konklusioner. BABAR og Belle har ikke bekræftet denne observation.

På næste generations B-fabrik, Super-KEKB i Japan, det nye Belle II-eksperiment er planlagt til at begynde sit planlagte 10-årige forskningsprogram i 2018. De forventede meget store nye datasæt vil åbne op for mange muligheder for søgninger efter disse og andre indikationer af fysik ud over Standardmodellen.