CERN-eksperimentet ser antydninger af et sjældent kaon-forfald

Hvad hvis oddsene for, at en begivenhed indtræffer, var omkring én ud af ti milliarder? Dette er tilfældet for henfaldet af en positivt ladet partikel kendt som en kaon til en anden positivt ladet partikel kaldet en pion og et neutrino-antineutrino-par. Endnu, sådan en sjælden begivenhed, som aldrig er blevet observeret med sikkerhed, er noget, som partikelfysikere rigtig gerne vil have fat i. Grunden? Standardmodellen forudsiger sådanne en ud af ti milliarder odds med en usikkerhed på mindre end ti procent. En afvigelse fra denne forudsigelse, afsløret ved en præcis måling af henfaldet, kunne derfor være en klar indikator for fysik ud over standardmodellen.

På et seminar, der finder sted i dag på CERN, NA62-samarbejdet rapporterer om en kandidatbegivenhed af dette ultra-sjældne kaon-henfald fundet ved hjælp af en ny "in-flight decay"-tilgang. Selvom denne enkelthændelse ikke kan bruges til at sondere ud over standardmodelfysik, det viser, at tilgangen fungerer godt og kan anvendes til at fange flere hændelser i den næste kørsel med dataoptagelse, som starter medio april. Resultatet blev også præsenteret tidligere på måneden på Rencontres de Moriond-konferencen i La Thuile, Italien.

For at lede efter kaon-henfald, NA62-holdet gør først stråler rige på kaoner ved at affyre højenergiprotoner fra Super Proton Synchrotron (SPS) acceleratoren ind i et berylliummål. Kollisionen skaber en stråle på næsten en milliard partikler i sekundet, kun omkring 6% af dem er kaoner. Næste, holdet sender strålen gennem en Cherenkov-detektor, som positivt identificerer kaonerne fra Cherenkov-strålingen, som de producerer. En silicium-pixel-detektor bestemmer derefter kaonernes momentum med en tidsopløsning på 100 picosekunder. En enhed kaldet en halmsporer, placeret inde i vakuumtanken, måler til gengæld momentum af de ladede datterpartikler, som kaonerne henfalder i, og en anden Cherenkov-detektor kaldet RICH bestemmer partiklernes type. Andre enheder kendt som kalorimetre afviser uønskede baggrundsbegivenheder med fotoner og myoner.

I deres analyse af data taget i løbet af 2016, NA62-holdet identificerede en kandidatbegivenhed for henfald af en positivt ladet kaon til en positivt ladet pion og et neutrino-antineutrino-par, der undslipper uopdaget. Resultatet gjorde det muligt for forskerne at sætte en øvre grænse for den relative frekvens, eller "forgrenende fraktion", af forfaldet på 14 i 10 mia. Resultatet er kompatibelt med standardmodellens forudsigelse, hvilket er 8,4 ud af 100 milliarder (med en usikkerhed på 1), men der er brug for flere data for at undersøge hinsides standardmodel-teorier, som forudsiger afvigelser fra Standard-Model værdien.

Det er ikke første gang, at antydninger af dette forfald er blevet observeret. Adskillige kandidatbegivenheder er tidligere blevet rapporteret af E949-eksperimentet og dets forgænger E787 ved Brookhaven National Laboratory i Long Island, New York. Disse kandidatbegivenheder er blevet brugt til at udlede en forgreningsbrøkdel på 17,3 ud af 100 milliarder (med en usikkerhed på omkring 11), som er konsekvent, inden for store fejl, med standardmodellens forudsigelse.

Men der er en forskel mellem Brookhaven-eksperimenterne og NA62:hvorimod førstnævnte observerede kaonen henfalder med partiklerne i hvile i et mål, NA62 observerer dem, mens partiklerne er på flugt i vakuumtanken. Denne nye tilgang under flyvningen har fordele, fordi den giver meget mere plads til detektion og immunitet mod baggrundsbegivenheder.

NA62-holdet forventer at identificere flere begivenheder af det sjældne kaon-henfald i den igangværende analyse af et tyve gange større datasæt taget i 2017, og den vil begynde at tage data igen i midten af ​​april i et rekordstort antal på 218 dage. Hvis alt går efter planen, samarbejdet skulle være i stand til at måle forgreningsfraktionen af ​​henfaldet med en lille nok usikkerhed til at lave en præcis test af Standardmodellen.