NA62-eksperiment på CERN rapporterer første bevis for ultra-sjælden proces, der kan føre til ny fysik

Forskere ved CERN har rapporteret om deres første væsentlige bevis for en proces forudsagt af teori, banede vejen for søgninger efter beviser for ny fysik i partikelprocesser, der kunne forklare mørkt stof og andre mysterier i universet.

I dag er CERN NA62-samarbejdet, som er delfinansieret af Storbritanniens Science and Technology Facilities Council (STFC) og involverer en række britiske videnskabsmænd, præsenterede på ICHEP 2020-konferencen i Prag det første væsentlige eksperimentelle bevis for det ultra-sjældne henfald af den ladede kaon til en ladet pion og to neutrinoer, (dvs. K ⁺ → π ⁺ νν).

Forfaldsprocessen er vigtig i banebrydende fysikforskning, fordi den er så følsom over for afvigelser fra teoretiske forudsigelser. Dette betyder, at det er en af ​​de mest interessante ting at observere for fysikere, der leder efter beviser, der understøtter en alternativ teoretisk model i partikelfysik.

Professor Mark Thomson, partikelfysiker og administrerende formand for STFC, sagde, at dette var spændende fremskridt, fordi resultatet viser, hvordan præcise målinger af denne proces kunne føre til ny fysik, ud over standardmodellen for partikelfysik udviklet i 1970'erne:

"Standardmodellen beskriver universets grundlæggende kræfter og byggesten. Det er en meget vellykket teori, men der er adskillige mysterier i universet, som standardmodellen ikke forklarer, såsom karakteren af ​​mørkt stof og oprindelsen af ​​stof-antistof-ubalancen i universet.

"Fysikere har søgt efter teoretiske udvidelser til standardmodellen. Målinger af ultra-sjældne processer giver en spændende vej til at udforske disse muligheder, med håbet om at opdage ny fysik ud over standardmodellen."

De britiske deltagere i denne forskning er fra universiteterne i Birmingham, Bristol, Glasgow og Lancaster, og er blevet finansieret af STFC, som er en del af UK Research and Innovation, samt af Royal Society og European Research Council (ERC).

NA62-eksperimentet er designet og konstrueret, med et betydeligt bidrag fra Storbritannien, specifikt til måling af disse ultra-sjældne kaon-henfald, fra kaoner produceret af en unik højintensiv protonstråle leveret af CERN acceleratorkomplekset. Kaonerne er skabt ved at kollidere højenergiprotoner fra CERNs Super Proton Synchrotron (SPS) ind i et stationært berylliummål. Dette skaber en stråle af sekundære partikler, som indeholder og udbreder næsten en milliard partikler i sekundet, omkring 6% af dem er kaoner. Hovedformålet med NA62 er at måle præcist, hvordan den ladede kaon-partikel henfalder til en pion og et neutrino-antineutrino-par. Storbritannien har en stærk ledende rolle i K ⁺ → π ⁺ νν henfaldsanalyse.

"Denne kaon-henfaldsproces kaldes 'den gyldne kanal' på grund af kombinationen af ​​at være både ultra-sjælden og fremragende forudsagt i standardmodellen. Den er meget svær at fange og lover virkelig for videnskabsmænd, der søger efter ny fysik, " forklarer professor Cristina Lazzeroni, Partikelfysiker ved University of Birmingham, og talsmand for NA62.

"Det er første gang, vi har været i stand til at opnå væsentlige eksperimentelle beviser for denne henfaldsproces. Det er et spændende øjeblik, fordi det er et grundlæggende skridt i retning af at fange den præcise måling af henfaldet og identificere mulige afvigelser fra Standardmodellen.

"På tur, dette vil sætte os i stand til at finde nye måder at forstå vores univers på. De instrumenter og teknikker, der er udviklet i NA62-eksperimentet, vil føre til den næste generation af sjældne kaon-henfaldseksperimenter."

Det nye resultat målt til 30 % præcision, giver den mest præcise måling til dato af denne proces. Resultatet er i overensstemmelse med standardmodellens forventning, men giver stadig plads til eksistensen af ​​nye partikler.

Flere data er nødvendige for at nå frem til en endelig konklusion om tilstedeværelsen eller ej af ny fysik.

STFC Ernest Rutherford Fellow Dr. Giuseppe Ruggiero fra Lancaster University har været den førende analytiker for denne måling siden 2016, og var med til at skabe eksperimentet. Han sagde:

"At analysere dataene fra eksperimentet var en reel udfordring. Vi var nødt til at undertrykke en enorm mængde uønsket data, omkring tusind milliarder gange. Og vi var nødt til at gøre dette uden at miste det lille signal, som vi ønskede at opdage. Dette er meget mere udfordrende end at finde en nål i en million høstakke! Vi brugte en metode kaldet blind analyseteknik. Såkaldt, fordi analysen er lavet uden at kigge i regionen, eller "blind boks", hvor signalet skal være."

STFC finansierede også to Ernest Rutherford Fellowships, en på University of Liverpool og derefter Lancaster, og en på University of Birmingham. Ud over, tre ph.d.-studerende ved University of Birmingham modtog støtte fra STFC, og én arbejder nu som postdoc-forsker på projektet. Alle fem 'tidlige karriere' fysikere har arbejdet på projektet.

De data, der blev brugt i forskningen, blev taget mellem 2016-2018 på CERN's Prevessin-sted, i Frankrig, og forskningen involverer over 200 videnskabsmænd fra 31 institutioner. En ny periode med datatagning starter i 2021 og vil give NA62-samarbejdet mulighed for at give et mere klart svar på spørgsmålet om ny fysik.

Fundene

Det nye resultat kommer fra en detaljeret analyse af det komplette NA62 datasæt indsamlet indtil videre, svarende til eksponering på 6×10 ¹² kaon henfalder. Fordi processen, der måles, er så sjælden, holdet skulle være særligt opmærksomme på ikke at gøre noget, der kunne påvirke resultatet. Af den grund, eksperimentet blev udført som en 'blind analyse', hvor fysikere i første omgang kun ser på baggrunden for at kontrollere, at deres forståelse af de forskellige kilder er korrekt.

Først når de er tilfredse med det, de ser på det område af dataene, hvor signalet forventes at være; dette kaldes "blind analyse". Efter en blind analyse, sytten K ⁺ → π ⁺ νν kandidater er observeret i det vigtigste datasæt indsamlet i 2018, afslører et betydeligt overskud i forhold til den forventede baggrund på kun 5,3 begivenheder.

Dette overskud fører til det første bevis for denne proces (med en statistisk signifikans over "tre sigma"-niveauet). Forfaldshastigheden, målt med 30 % præcision, giver den mest præcise måling til dato af denne proces. Resultatet er i overensstemmelse med standardmodellens forventning, men giver stadig plads til nye fysikeffekter. Flere data er nødvendige for at nå frem til en endelig konklusion om tilstedeværelsen eller ej af ny fysik.

Sandsynligheden for, at denne proces sker, kaldet "forgreningsforhold", for den ultra-sjældne K ⁺ → π ⁺ νν henfald er meget lille og forudsagt inden for standardmodel for partikelfysik med en høj præcision:(8,4±1,0)×10 ^-11 . Dette fører til ekstraordinær følsomhed over for de mulige fænomener ud over standardmodelbeskrivelsen, gør dette forfald til en "gylden tilstand", dvs. en af ​​de mest interessante observerbare på partikelfysikkens præcisionsgrænse. Den eksperimentelle undersøgelse er dog ekstremt udfordrende på grund af den lille hastighed, et neutrinopar i den endelige tilstand, og enorme potentielle baggrundsprocesser. På grund af dets egenskaber, NA62-eksperimentet har fremragende følsomhed over for en række sjældne kaon-henfald og eksotiske processer.

NA62-samarbejdet forbereder sig på at indsamle et endnu større datasæt i 2021-24, hvornår CERN SPS genstarter driften, tager data med en højere stråleintensitet med en forbedret strålelinje og detektoropsætning. Det næste mål er en "fem sigma" observation af K ⁺ → π ⁺ mit forfald, efterfulgt af en måling af henfaldshastigheden med en præcision på 10 %, derved giver en kraftfuld uafhængig test standardmodellen for partikelfysik. Horisonten for et nyt fysikprogram med en følsomhed over for henfaldshastigheder langt under 10 ^-11 niveau er nu i sigte.

På længere sigt, et kaon-stråleprogram med høj intensitet begynder at tage form, med udsigt til at måle K ⁺ → π ⁺ νν henfald til nogle få % præcision, at adressere det analoge forfald af den neutrale kaon, KL → π ⁰ νν, og at nå ekstrem følsomhed over for en lang række sjældne kaon-henfald, som er komplementære til undersøgelser i skønhedskvarksektoren.