Asymetria w produkcji materii i antymaterii może zaburzać detekcję neutrin

23 maja 2018

EurekAlert!: [http://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-05/thni-mam052418.php]

Porównanie mechanizmów faworyzowanej i niefaworyzowanej fragmentacji kwarków. (Źródło: IFJ PAN)

Z danych zebranych przez detektor LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów wynika, że cząstki znane jako mezony powabne oraz ich antymaterialne odpowiedniki nie są wytwarzane w idealnie równych proporcjach. Fizycy z Krakowa zaproponowali własne wyjaśnienie tego zjawiska i przedstawili związane z nim przewidywania, o konsekwencjach interesujących zwłaszcza dla astronomii wysokoenergetycznych neutrin.

W pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu Wszechświat był wypełniony równymi ilościami cząstek i antycząstek. Gdy stygł, materia i antymateria zaczęły łączyć się ze sobą i anihilować, zamieniając się w promieniowanie. Dlaczego część materii, z której zbudowany jest dzisiejszy Wszechświat, przetrwała pożogę? Aby rozszyfrować tę wielką zagadkę współczesnej nauki, fizycy starają się lepiej poznać wszelkie mechanizmy odpowiadające za nawet najmniejsze dysproporcje w produkcji cząstek i antycząstek. Grupa naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, związana z eksperymentem LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w Genewie, przyjrzała się ostatnio jednemu z takich procesów: asymetrii pojawiającej się przy narodzinach mezonów i antymezonów powabnych. Co ciekawe, wnioski z analizy mogą mieć bardzo wymierne znaczenie praktyczne.

Zgodnie ze współczesną wiedzą, kwarki są najważniejszymi niepodzielnymi cegiełkami, z których składa się materia. Znamy je w sześciu rodzajach: są to kwarki górne (u), dolne (d), dziwne (s), powabne (c), piękne (b) i prawdziwe (t), przy czym każdy rodzaj ma także swój antymaterialny odpowiednik (często oznaczany kreską nad literą, czytaną jako „bar”). Kwarki na ogół tworzą się w parach kwark-antykwark. Są cząstkami ekstremalnie towarzyskimi: niemal natychmiast po powstaniu wiążą się w hadrony, czyli zespoły dwóch, trzech, a niekiedy i więcej kwarków bądź antykwarków, spajanych za pomocą gluonów (czyli cząstek przenoszących silne oddziaływania jądrowe). Proces łączenia się kwarków/antykwarków w kompleksy to tzw. hadronizacja.

Nietrwałe hadrony zbudowane z pary kwark-antykwark nazwano mezonami. Jeśli w mezonie któryś z kwarków jest powabny, cząstkę określa się mianem mezonu powabnego i oznacza literą D (lub dla antykwarku powabnego: D z kreską). Para zbudowana z kwarku powabnego i antykwarku dolnego to mezon D+, a składająca się z antykwarku powabnego i kwarku dolnego to mezon D-.

W pomiarach przeprowadzonych w ostatnim ćwierćwieczu, w tym niedawno w ramach eksperymentu LHCb, zauważono ciekawą asymetrię. Okazało się, że mezony D+ i D- nie zawsze są produkowane w dokładnie tych samych proporcjach. W przypadku procesów obserwowanych w LHCb, inicjowanych w zderzeniach przeciwbieżnych wiązek protonów o dużych energiach, asymetria ta była niewielka, poniżej jednego procenta.

Kwarki powabne powstają głównie podczas zderzeń gluonów, a po narodzinach hadronizują w mezony D. My przyjrzeliśmy się innemu mechanizmowi powstawania mezonów, znanemu jako niefaworyzowana fragmentacja kwarków. Mezon tworzy się tu w wyniku oddziaływania jakiegoś kwarku lekkiego – czyli górnego, dolnego lub dziwnego – z odpowiadającym mu antykwarkiem. Za pomocą niuansów takiego mechanizmu wcześniej wyjaśniono asymetrię między kaonami i antykaonami, czyli mezonami K+ i K-. Dotychczas jednak nie sprawdzano, czy podobny mechanizm mógłby tłumaczyć asymetrię między stosunkowo masywnymi mezonami D+ a D-”, mówi dr Rafał Maciuła (IFJ PAN), pierwszy autor publikacji w czasopiśmie „Physical Review D”.

Detektor LHCb mierzy głównie cząstki rozchodzące się z punktu zderzenia protonów pod dużymi kątami do pierwotnego kierunku ruchu tychże. Według krakowskich fizyków asymetria w produkcji mezonów D powinna być znacznie większa, jeśli uwzględni się cząstki produkowane „do przodu”, a więc wzdłuż kierunku wiązek protonów. Oznacza to, że obecnie obserwowana dysproporcja może być zaledwie czubkiem góry lodowej. Obliczenia sugerują, że w przypadku zderzeń „do przodu” niefaworyzowana fragmentacja (d, u, sD) może być porównywalna do typowej fragmentacji (cD). W efekcie asymetria między mezonami D+ a D- może sięgać nawet wielu procent, także przy energiach zderzeń niższych niż obecnie zachodzące w akceleratorze LHC.

Badania fizyków z IFJ PAN mogą nieść daleko idące konsekwencje dla obserwatoriów neutrinowych, takich jak detektor IceCube na Antarktydzie. Detektor ten, prowadzony przez 49 instytucji naukowych z 12 krajów, za pomocą tysięcy fotopowielaczy monitoruje kilometr sześcienny lodu znajdujący się niemal półtora kilometra pod powierzchnią. Fotopowielacze tropią subtelne błyski świetlne, inicjowane przez interakcję cząstek tworzących lód z neutrinami, cząstkami elementarnymi bardzo słabo oddziałującymi ze zwykłą materią.

IceCube rejestruje kilkaset neutrin dziennie. Wiadomo, że spora część z nich tworzy się w ziemskiej atmosferze w procesach zainicjowanych przez promieniowanie kosmiczne i zachodzących z udziałem protonów. Inne neutrina mogą pochodzić np. z jądra Ziemi lub ze Słońca. Przyjmuje się jednak, że neutrina o znacznych energiach dotarły do detektora bezpośrednio z odległych źródeł kosmicznych: supernowych lub zlewających się czarnych dziur bądź gwiazd neutronowych.

Przy interpretowaniu danych z detektora IceCube uwzględnia się produkcję neutrin w ziemskiej atmosferze wywołaną zwykłym promieniowaniem kosmicznym, w tym zderzeniami z udziałem protonów. Rzecz w tym, że część tych procesów, skutkująca powstaniem neutrin o dużych energiach, odbywa się z udziałem mezonów D. Tymczasem my pokazujemy, że mechanizm produkcji tych mezonów w atmosferze może być znacznie bardziej wydajny niż się dotychczas wydawało. Jeśli więc nasze przypuszczenia się potwierdzą, część zarejestrowanych neutrin wysokoenergetycznych, teraz uznawanych za kosmiczne, w rzeczywistości powstała tuż nad naszymi głowami i zaburza rzeczywisty obraz wydarzeń w głębi kosmosu”, tłumaczy prof. dr hab. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Gdy widać zaledwie czubek góry lodowej, wnioskowanie na temat wyglądu jej reszty jest więcej niż ryzykowne. Model zaproponowany przez krakowskich fizyków ma dziś status hipotezy. Być może w pełni opisuje mechanizm zachodzący w rzeczywistości. Ale może być też tak, że za asymetrię w produkcji mezonów D odpowiadają inne procesy, może częściowo, a może nawet w całości.

Na szczęście żadna konkurencyjna propozycja nie przewiduje tak wyraźnego wzrostu asymetrii w produkcji mezonów D przy mniejszych energiach zderzeń. Żeby sprawdzić nasze przypuszczenia, wystarczyłoby więc w akceleratorze LHC skierować pojedynczą wiązkę na nieruchomą tarczę, co znacząco zredukowałoby energię zderzeń. Nasz model spełnia zatem kryteria bardzo rzetelnej nauki: nie tylko wyjaśnia dotychczasowe obserwacje, ale przede wszystkim można go szybko zweryfikować. Na dodatek można to zrobić bardzo tanio!”, podsumowuje prof. Szczurek.

Badania nad asymetrią w produkcji mezonów powabnych sfinansowano ze środków statutowych IFJ PAN i grantu Narodowego Centrum Nauki.

[PDF]

Kontakt:

prof. dr hab. Antoni Szczurek
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8212
email: antoni.szczurek@cern.ch

dr Rafał Maciuła
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8240
email: rafal.maciula@cern.ch

Prace naukowe:

„D meson production asymmetry, unfavored fragmentation, and consequences for prompt atmospheric neutrino production”
R. Maciuła, A. Szczurek;
Physical Review D 97, 074001 (2018);
DOI: 10.1103/PhysRevD.97.074001

Materiały graficzne:

Porównanie mechanizmów faworyzowanej i niefaworyzowanej fragmentacji kwarków. (Źródło: IFJ PAN)