Materie-antimateri asymmetri kan forstyrre påvisning af neutrinoer

Fra data indsamlet af LHCb-detektoren ved Large Hadron Collider, det ser ud til, at partiklerne kendt som charme mesoner og deres antimateriale modparter ikke fremstilles i fuldstændig lige store mængder. Fysikere fra Krakow har foreslået deres egen forklaring på dette fænomen og præsenteret beslægtede forudsigelser om konsekvenser, der er særligt interessante for neutrino-astronomi med høj energi.

I de første øjeblikke efter Big Bang, universet var fyldt med lige store mængder partikler og antipartikler. Mens det var ved at køle ned, stof og antimateriale begyndte at smelte og tilintetgøre, bliver til stråling. Den sag, der overlevede tilintetgørelse, omfatter nu universet, men denne ubalance er dårligt forstået. For at tyde dette store mysterium i moderne videnskab, fysikere forsøger bedre at forstå alle de mekanismer, der er ansvarlige for selv de mindste disproportioner i produktionen af ​​partikler og antipartikler. En gruppe forskere fra Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, forbundet med LHCb -eksperimentet ved Large Hadron Collider i Genève, undersøgte for nylig en af ​​disse processer:asymmetrien, der optrådte ved fødslen af ​​charme -mesoner og antimesoner. Konklusionerne fra analysen kunne have meget håndgribelig praktisk betydning.

Ifølge moderne fysik, kvarker er de vigtigste udelelige byggesten, der udgør stoffet. Vi kender til seks varianter af kvarker:op (u), ned (d), mærkelige (r), charme (c), bund (b) og top (t); hver smag har også sin egen antimateriale -modstykke (ofte markeret med et bindestreg over bogstavet, læses som "bar"). Kvarker dannes generelt i kvark-antikvarpar. De er ekstremt omgængelige partikler:næsten umiddelbart efter at de er blevet til, de binder sig til hadroner, eller grupper på to, tre, og nogle gange flere kvarker eller antikvarker, bundet med gluoner (dvs. partikler, der overfører stærke nukleare interaktioner). Processen med at kombinere kvarker/antikvarker til komplekser kaldes hadronisering.

Ustabile hadroner bygget af par quark-antiquark kaldes mesoner. Hvis en af ​​kvarkerne i en meson er en charmekvark, partiklen kaldes en charm meson og betegnes med bogstavet D (eller for charmen antiquark:D med en bjælke over den). Et par bygget af en charme-kvark og en dun-antikvark er en D+ meson, og en, der består af en charme-antiquark og dunkvark, er en D-meson.

I målinger foretaget i det sidste kvart århundrede, herunder for nylig som en del af LHCb -eksperimentet, en interessant asymmetri blev bemærket. Det viste sig, at D+ og D- mesoner ikke altid produceres i nøjagtig de samme proportioner. I tilfælde af processer observeret i LHCb, initieret i kollisioner af modstrømsstråler af højenergiprotoner, denne asymmetri var lille, mindre end en procent.

"Charme kvarker dannes hovedsageligt under gluonkollisioner i såkaldte hårde interaktioner, og efter fødslen, de havderoniseret sig til D mesoner. Vi undersøgte en anden mesondannelsesmekanisme, kendt som uønsket kvarkfragmentering. Her, charmen meson er skabt som et resultat af hadronisering af et lys (op, ned, eller mærkeligt) kvark eller antikvark. Ved hjælp af nuancerne i denne mekanisme, asymmetrien mellem kaoner og antikaoner, dvs. K+ og K- mesoner, blev forklaret tidligere. Indtil nu, imidlertid, det er ikke undersøgt, om en lignende mekanisme kunne forklare asymmetrien mellem de relativt massive D+ og D-mesoner, "siger Dr. Rafal Maciula (IFJ PAN), den første forfatter til publikationen i tidsskriftet Fysisk gennemgang D .

LHCb-detektoren måler hovedsageligt partikler, der divergerer fra kollisionspunktet for protoner i store vinkler til den oprindelige bevægelsesretning for disse protoner. Ifølge de Krakow-baserede fysikere, asymmetrien i produktionen af ​​D -mesoner bør være meget større, hvis der tages hensyn til partikler, der produceres i en fremadrettet retning, det er, i retning af protonstrålerne. Det betyder, at den aktuelt observerede disproportion kan være bare toppen af ​​et isbjerg. Beregninger tyder på, at i tilfælde af "forlæns" kollisioner, ufordelagtig fragmentering (d, u, s 'D) kan være sammenlignelig med konventionel fragmentering (c' D). Som resultat, asymmetrien mellem D+ og D- mesoner kan nå en høj procentdel, selv ved lavere kollisionsenergier end dem, der i øjeblikket forekommer i LHC.

Fysikernes forskning fra IFJ PAN kan have vidtrækkende konsekvenser for neutrinoobservatorier som IceCube Observatory i Antarktis. Denne detektor, hvor 49 videnskabelige institutioner fra 12 lande samarbejder, overvåger en kubik kilometer is, ligger næsten en kilometer under overfladen, ved hjælp af tusindvis af fotomultiplikatorer. Fotomultiplikatorer sporer subtile lysglimt initieret af interaktionen mellem isdannende partikler og neutrinoer, elementarpartikler interagerer meget svagt med almindeligt stof.

IceCube registrerer flere hundrede neutrinoer om dagen. Det vides, at en stor del af dem skabes i Jordens atmosfære i processer, der initieres af kosmiske stråler og finder sted med deltagelse af protoner. Andre neutrinoer kan komme fra Jordens kerne eller fra Solen. Det antages, imidlertid, at neutrinoer med betydelig energi har nået detektoren direkte fra fjerne kosmiske kilder, inklusive supernovaer, sammensmeltning af sorte huller eller neutronstjerner.

"Ved fortolkning af data fra IceCube -detektoren, produktionen af ​​neutrinoer i jordens atmosfære forårsaget af almindelig kosmisk stråling, herunder kollisioner med protoner, tages i betragtning. Sagen er, at nogle af disse processer, resulterer i dannelse af neutrinoer med høje energier, foregå med deltagelse af D mesoner. I mellemtiden, vi viser, at mekanismen for produktion af disse mesoner i atmosfæren kan være meget mere effektiv end tidligere antaget. Så, hvis vores antagelser bekræftes, nogle af de meget energiske neutrinoer, der er registreret, nu betragtes som af kosmisk oprindelse, har faktisk dukket op lige over vores hoveder og forstyrrer det virkelige billede af begivenheder i rummets dyb, "forklarer prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Når bare toppen af ​​isbjerget kan ses, slutninger om, hvordan resten af ​​det ser ud, er mere end risikabelt. Modellen foreslået af de krakowbaserede fysikere har status som en hypotese i dag. Måske beskriver den fuldt ud den mekanisme, der opstår i virkeligheden. Men det kan også være, at andre processer er ansvarlige for asymmetrien i produktionen af ​​D -mesoner, måske delvist eller endda i deres helhed.

"Heldigvis, intet andet konkurrenceforslag forudsiger en så klar stigning i asymmetri i produktionen af ​​D -mesoner ved lavere kollisionsenergier. Så for at kontrollere vores antagelser, det ville være tilstrækkeligt i LHC -acceleratoren at lede en enkelt stråle mod et stationært mål, hvilket ville reducere kollisionsenergien betydeligt. Vores model opfylder derfor kriterierne for meget pålidelig videnskab:den forklarer ikke kun tidligere observationer, men frem for alt, det kan hurtigt verificeres. Ud over, dette kan gøres meget billigt, " siger prof. Szczurek.