De potentielle forvarsler af ny fysik fortsætter i LHC-data

I nogen tid nu, forskere har bemærket adskillige anomalier i henfaldene af skønhedsmesoner i de data, der kommer fra LHCb-eksperimentet ved Large Hadron Collider. Er de mere end blot statistiske udsving? Den seneste analyse, under hensyntagen til såkaldte langdistanceeffekter i partiklernes henfald, øger sandsynligheden for, at anomalierne ikke er en fejl i måleteknikkerne.

Mens forskere, der søger direkte spor af ny fysik, forsøger at eliminere alle potentielle nye signaler i partikelkollisioner, afsløre tomrummet forudsagt af standardmodellen, andre, der ser på andre fænomener, begynder at se stigende anomale signaler i havet af data, der er uløste.

Standardmodellen er et sæt teoretiske værktøjer udviklet i 1970'erne til at beskrive fænomener, der forekommer på skalaen af ​​atomkerner og elementarpartikler. Det fungerer meget godt, men kan ikke give svar på nogle vigtige spørgsmål. Hvorfor har elementarpartikler særlige masser? Hvorfor skaber de familier? Hvorfor dominerer stof så klart over antistof? Hvad består mørkt stof af? Der er en velbegrundet tro blandt fysikere, at standardmodellen kun beskriver et fragment af virkeligheden, og skal forlænges.

"I lang tid i LHC, der har været en intens jagt på alt, der ikke kan forklares med den nuværende fysik. På nuværende tidspunkt søgen efter nye partikler eller fænomener på en direkte måde forbliver frugtesløs. Imidlertid, der er fundet adskillige anomalier i data, der indeholder henfald af skønhedsmesoner. De bliver mere interessante dag for dag, fordi jo flere data vi behandler, og jo flere effekter tager vi højde for, når vi beskriver dem, jo mere de er synlige, " forklarer Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN, Universitetet i Zürich), medforfatter til den seneste publikation i tidsskriftet European Physical Journal C . De tre andre forfattere er Christoph Bobeth fra det tekniske universitet i München, Danny van Dyk fra University of Zurich (UZ), og Javier Virto fra premierministeren og Center for Teoretisk Fysik ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge, OS.

Mesoner, partikler lavet af kvark-antikvark-par, findes i mange varianter. B (skønheds) mesonerne indeholder en dunkvark, en af ​​komponenterne i protoner og neutroner, der er almindelig i naturen, og en skønhedsantikvark. Mesoner er ustabile systemer og går hurtigt i opløsning på måder, der beskrives som henfaldskanaler. En af disse anomalier blev observeret i henfaldskanalen af ​​meson B til en anden meson (K*; denne meson indeholder en mærkelig kvark i stedet for en skønhedskvark) og et myon-antimuon-par (myoner er elementærpartikler med egenskaber, der ligner elektroner, kun næsten 200 gange mere massiv).

"I tidligere beregninger, det blev antaget, at når mesonen går i opløsning, der er ikke flere interaktioner mellem dets produkter. I vores seneste beregninger, vi har også inkluderet langdistanceeffekter kaldet charm-loops. Med en vis sandsynlighed, produkterne af forfald interagerer med hinanden, for eksempel udveksling af gluoner, partikelen ansvarlig for stærke interaktioner, binder kvarker i protoner og neutroner, " siger Dr. van Dyk (UZ).

Effekten af ​​målinger i fysik beskrives normalt ved værdien af ​​sigma-standardafvigelsen. En effekt, der adskiller sig fra forudsigelser med mere end tre standardafvigelser (3 sigma), behandles som en observation. En opdagelse siges at være blevet gjort, når nøjagtigheden stiger over 5 sigma (hvilket betyder en sandsynlighed på mindre end én ud af 3,5 millioner for, at tilfældige udsving vil give det observerede resultat). Analyser af henfaldene af B mesoner til K* mesoner og et myon-antimuon par viste en spænding med standardmodel forudsigelse på 3,4 sigma (i andre henfaldskanaler, anomalier af lignende art blev observeret). I mellemtiden medtagelsen af ​​langtrækkende effekter i den teoretiske beskrivelse øgede denne værdi til 6,1 sigma. Forskerne håber, at de matematiske metoder, de foreslog, anvendt på lignende henfaldskanaler, vil også øge nøjagtigheden af ​​estimater betydeligt.

"De opdagede anomalier forsvinder ikke i efterfølgende analyser. Nu hvor den teoretiske beskrivelse af disse processer er udarbejdet, alt afhænger kun af den statistiske præcision, som er bestemt af antallet af henfald, der analyseres. Vi vil sandsynligvis have en tilstrækkelig mængde inden for to eller tre år til at bekræfte eksistensen af ​​en anomali med en troværdighed, der berettiger os til at tale om en opdagelse, " siger Dr. Chrzaszcz.

Oprindelsen af ​​de observerede anomalier er stadig ukendt. Mange fysikere foreslår, at en ukendt elementarpartikel uden for standardmodellen kan være ansvarlig for deres eksistens. En god kandidat, for eksempel, ville være Z' boson, foreslået af teoretikere. Direkte verifikation af denne hypotese, imidlertid, ville kræve yderligere eksperimenter udført på en accelerator, der er kraftigere end den moderne LHC-konfiguration.