Mystery partikel spottet? Opdagelse ville kræve fysik så underlig, at ingen engang har tænkt på det

Der var en enorm spænding, da Higgs-bosonen første gang blev opdaget tilbage i 2012-en opdagelse, der fik Nobelprisen i fysik i 2013. Partiklen gennemførte den såkaldte standardmodel, vores nuværende bedste teori om at forstå naturen på niveau med partikler.

Nu tror forskere ved Large Hadron Collider (LHC) i Cern, at de måske har set en anden partikel, opdaget som en top ved en bestemt energi i dataene, selvom fundet endnu ikke er bekræftet. Igen er der en masse spænding blandt partikelfysikere, men denne gang blandes det med en følelse af angst. I modsætning til Higgs -partiklen, som bekræftede vores forståelse af den fysiske virkelighed, denne nye partikel synes at true den.

Det nye resultat - bestående af et mystisk bump i dataene ved 28 GeV (en enhed for energi) - er blevet offentliggjort som et fortryk på ArXiv . Det er endnu ikke i en peer-reviewed journal-men det er ikke et stort problem. LHC -samarbejderne har meget stramme interne revisionsprocedurer, og vi kan være sikre på, at forfatterne har gjort summerne korrekt, når de rapporterer en "4.2 standardafvigelsesbetydning". Det betyder, at sandsynligheden for at få en top så stor ved en tilfældighed - skabt af tilfældig støj i dataene frem for en reel partikel - kun er 0,0013%. Det er lillebitte - 13 ud af en million. Så det ser ud til, at det må være en reel begivenhed frem for tilfældig støj - men ingen åbner champagnen endnu.

Hvad dataene siger

Mange LHC -eksperimenter, som smadrer stråler af protoner (partikler i atomkernen) sammen, finde beviser for nye og eksotiske partikler ved at lede efter en usædvanlig opbygning af kendte partikler, såsom fotoner (lyspartikler) eller elektroner. Det er fordi tunge og "usynlige" partikler som Higgs ofte er ustabile og har en tendens til at falde fra hinanden (henfald) til lettere partikler, der er lettere at opdage. Vi kan derfor lede efter disse partikler i eksperimentelle data for at finde ud af, om de er resultatet af et tungere partikelforfald. LHC har fundet mange nye partikler ved sådanne teknikker, og de har alle passet ind i standardmodellen.

Det nye fund kommer fra et forsøg med CMS -detektoren, som registrerede et antal par muoner - velkendte og let identificerede partikler, der ligner elektroner, men tungere. Det analyserede deres energier og retninger og spurgte:hvis dette par kom fra henfald af en enkelt forælderpartikel, hvad ville massen af ​​den forælder være?

I de fleste tilfælde, par muoner kommer fra forskellige kilder - stammer fra to forskellige begivenheder frem for henfaldet af en partikel. Hvis du forsøger at beregne en forældermasse i sådanne tilfælde, ville det derfor spredes ud over en lang række energier frem for at skabe en smal top specifikt ved 28GeV (eller anden energi) i dataene. Men i dette tilfælde ser det bestemt ud til at være en top. Måske. Du kan se på figuren, og du kan selv bedømme.

Er dette en reel top eller er det bare en statistisk udsving på grund af den tilfældige spredning af punkterne om baggrunden (den stiplede kurve)? Hvis det er virkeligt, betyder det, at et par af disse muonpar faktisk kom fra bare en stor forælderpartikel, der forfaldt ved at udsende muoner - og ingen sådan 28 GeV -partikel er nogensinde set før.

Så det hele ser temmelig spændende ud, men, historien har lært os forsigtighed. Disse betydninger har vist sig tidligere kun for at forsvinde, når der tages flere data. Digamma (750) -anomalien er et nyt eksempel fra en lang række falske alarmer - falske "opdagelser" på grund af fejl i udstyret, overentusiastisk analyse eller bare uheld.

Dette skyldes til dels noget, der kaldes "se andre steder -effekten":selvom sandsynligheden for tilfældig støj producerer en top, hvis man ser specifikt på en værdi på 28 GeV, kan være 13 i en million, sådan støj kan give et højdepunkt et andet sted i plottet, måske ved 29GeV eller 16GeV. Sandsynlighederne for at disse skyldes tilfældigheder er også små, når de betragtes hhv. men summen af ​​disse bittesmå sandsynligheder er ikke så lille (dog stadig ret lille). Det betyder, at det ikke er umuligt for en top at blive skabt af tilfældig støj.

Og der er nogle forvirrende aspekter. For eksempel, bumpet optrådte i et LHC -løb, men ikke i et andet, da energien blev fordoblet. Man ville forvente, at alle nye fænomener bliver større, når energien er højere. Det kan være, at der er grunde til dette, men i øjeblikket er det en ubehagelig kendsgerning.

Ny fysisk virkelighed?

Teorien er endnu mere inkongruens. Ligesom eksperimentelle partikelfysikere bruger deres tid på at lede efter nye partikler, teoretikere bruger deres tid på at tænke på nye partikler, som det ville være fornuftigt at kigge efter:partikler, der ville udfylde de manglende dele af standardmodellen, eller forklare mørkt stof (en type usynligt stof), eller begge. Men ingen har foreslået noget lignende.

For eksempel, teoretikere foreslår, at vi kunne finde en lettere version af Higgs -partiklen. Men noget af den slags ville ikke forfalde til muoner. Der er også talt om en let Z boson eller en tung foton, men de ville interagere med elektroner. Det betyder, at vi nok burde have opdaget dem allerede, da elektroner er lette at opdage. Den potentielle nye partikel matcher ikke egenskaberne for nogen af ​​de foreslåede.

Hvis denne partikel virkelig eksisterer, så er den ikke bare uden for standardmodellen, men uden for den på en måde, som ingen havde regnet med. Ligesom den newtonske tyngdekraft gav plads til Einsteins generelle relativitet, standardmodellen erstattes. Men udskiftningen vil ikke være nogen af ​​de foretrukne kandidater, der allerede er blevet foreslået at udvide standardmodellen:herunder supersymmetri, ekstra dimensioner og store foreningsteorier. Disse foreslår alle nye partikler, men ingen med egenskaber som den, vi måske lige har set. Det skal være noget så underligt, at ingen har foreslået det endnu.

Heldigvis det andet store LHC -eksperiment, ATLAS, har lignende data fra deres eksperimenter Teamet analyserer det stadig, og rapporterer med tiden. Kynisk erfaring siger, at de vil rapportere et nul -signal, og dette resultat vil slutte sig til galleriet med statistiske udsving. Men måske - bare måske - vil de se noget. Og så bliver livet for eksperimentelister og teoretikere pludselig meget travlt og meget interessant.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.