Leptoner hjælper med at spore ny fysik

Elektroner med 'kolleger' - andre leptoner - er et af mange produkter af kollisioner observeret i LHCb-eksperimentet ved Large Hadron Collider. Ifølge teoretikere, nogle af disse partikler kan skabes i processer, der rækker ud over standardfysik. Den seneste analyse bekræfter disse forudsigelser.

Skjuler de anomalier, der blev observeret i LHCb-eksperimentet i henfaldet af B mesoner, hidtil ukendte partikler uden for den aktuelt gyldige og gennemtestede standardmodel? For at besvare dette spørgsmål, fysikere leder ikke kun efter yderligere tegn på eksistensen af ​​nye partikler, men også for spor af de fænomener, der kan opstå med dem. En af de processer, der foreslås af teoretikere, der går ud over den kendte fysiks verden, er brud på princippet om bevarelse af leptonsmag. Dette hypotetiske fænomen var i centrum for en international gruppe af forskere, som omfattede repræsentanter for Institute of Nuclear Physics ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow, Technische Universität i Dortmund (TUD) og Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Paris. De lagde særlig vægt på analysen af ​​data indsamlet i 2011-12 under protonkollisioner som en del af LHCb-eksperimentet ved Large Hadron Collider ved CERN nær Genève. Deres resultater diskuteres i den prestigefyldte Fysisk gennemgangsbreve .

Takket være årtiers eksperimenter og målinger udført af kernefysikere og kosmiske stråleforskere, det er kendt, at stofpartikler er opdelt i to fuldstændig uafhængige familier:kvarker og leptoner (med deres modstykker mod stof). Quarks (op, ned, charme, mærkelig, top og bund) vises altid i grupper. Systemer af to kvarker er kendt som mesoner, dem, der består af tre kvarker, er baryoner. Sidstnævnte omfatter protoner og neutroner, de partikler, der udgør atomkerner. På tur, leptoner omfatter elektroner, muoner, tau-partikler og deres tilsvarende neutrinoer.

"Egenskaberne af leptoner og kvarker er fundamentalt forskellige. Som følge heraf, begge grupper af partikler er beskrevet ved hjælp af sæt af forskellige tal, kaldet kvantetal. Et af de kvantetal, der bruges til at beskrive leptoner, er leptontallet. For eksempel, hver elektron har et elektronnummer på 1. Til gengæld antistof modstykker til elektroner, dvs. positroner, har et elektronnummer på -1, " forklarer Dr. Jihyun Bhom (IFJ PAN), analysens hovedforfatter. "Det er sådan, vi kommer til nøglefænomenet for at forklare meningen med vores arbejde. Under standardmodellen, princippet om at bevare leptontallet gælder. Den siger, at summen af ​​leptontal af partikler i begyndelsen og slutningen af ​​processen altid skal være den samme."

Kravet om at bevare leptonnummeret betyder, at hvis, for eksempel, to elektroner med et samlet elektronantal på to deltager i en interaktion, i slutningen af ​​processen vil dette tal også være to. I det præsenterede eksempel, under standardmodellen er det muligt at producere to elektroner samt fire elektroner og to positroner, og så videre.

Både leptoner og kvarker kan opdeles i tre grupper kaldet generationer. Eksistensen af ​​det samme antal generationer af leptoner og kvarker fik teoretikere til at antage, at med tilstrækkelig høj energi, leptoner og kvarker kunne 'svejse sammen' til leptoquarks, hypotetiske partikler med egenskaber af både leptoner og kvarker. Hvis de eksisterede, leptoquarks bør være ustabile partikler med meget høje masser, sammenlignelig selv med massen af ​​en hel blykerne.

"I processer, der involverer leptoquarks, leptonnumre er ikke bevaret. Påvisning af spor af fænomener, hvor princippet om at bevare leptontallet blev overtrådt, ville derfor være et væsentligt skridt på vejen mod påvisning af partikler uden for Standardmodellen. I særdeleshed, det ville gøre det lettere for os at fortolke arten af ​​de anomalier, der for nylig har været mere og mere tydelige i data fra henfaldet af B mesoner, dvs. partikler, der indeholder dunkvarken og bundkvarken, " siger Dr. Bhom.

I de seneste statistiske analyser viste det sig nødvendigt at bruge kunstig intelligens – og ikke kun én.

"Vi var interesserede i B-meson-henfaldene, der førte til dannelsen af ​​K-mesonen, en myon og en elektron. Imidlertid, det sker bare sådan, at under standardmodellen, en betydelig andel af B-mesonhenfald fører til nøjagtig de samme produkter med tilsætning af neutrinoer (sidstnævnte kan ikke registreres). Denne enorme baggrund skulle fjernes meget præcist fra de indsamlede data. En kunstig intelligens var ansvarlig for denne opgave. Den anden viste sig nødvendig for at slippe af med baggrundsrester, der passerede gennem den første, " forklarer Dr. Bhom.

På trods af brugen af ​​sofistikerede matematiske værktøjer, forskerne fra IFJ PAN, TUD og CNRS kunne ikke opdage spor af fænomener, der bryder bevarelsen af ​​leptontallet. Imidlertid, oven over skyen skinner solen.

"Med en sikkerhed på op til 95 % har vi forbedret de eksisterende restriktioner på de løsninger, der præsenteres af teoretikere for at forklare tilstedeværelsen af ​​anomalier i henfaldet af B-mesoner med en hel størrelsesorden. Som et resultat, vi er de første, der markant har indsnævret området for at søge efter teorier, der forklarer eksistensen af ​​disse anomalier ved hjælp af ny fysik, " understreger Dr. Bhom.

Hvis de findes, processer, der bryder princippet om at bevare leptontallet, forekommer åbenbart meget sjældnere, end det kunne forudsiges af de mest populære udvidelser af standardmodellen, der involverer leptoquarks. Hvad mere er, anomalier i henfaldet af B mesoner selv behøver ikke at være forbundet med nye partikler. Det kan stadig ikke udelukkes, at de er artefakter af måleteknikker, de anvendte matematiske værktøjer eller resultatet af ikke at tage højde for et eller andet fænomen, der forekommer inden for aktuelt kendt fysik. Man kan kun håbe, at efterfølgende, allerede igangsatte analyser, under hensyntagen til de seneste data indsamlet på LHC, vil endelig fjerne tvivlen om eksistensen af ​​fysik ud over Standardmodellen inden for få år.