Najdokładniejszy pomiar rzadkiego rozpadu mezonów potwierdza współczesną fizykę

12 kwietnia 2017

EurekAlert!: [https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-04/thni-tma041217.php]

Niezwykle rzadki rozpad mezonu pięknego B_s⁰ na dwa miony, zarejestrowany w 2016 roku w detektorze LHCb w CERN pod Genewą. Na powiększeniu u dołu widać, że punkt rozpadu znajdował się 17 mm od miejsca zderzenia dwóch protonów. (Źródło: IFJ PAN, CERN, The LHCb Collaboration)

Każda teoria fizyczna jest mniej lub bardziej, ale zawsze tylko uproszczonym odwzorowaniem rzeczywistości i w konsekwencji ma określony zakres stosowalności. Wielu naukowców pracujących przy eksperymencie LHCb w CERN miało nadzieję, że właśnie osiągnięta, wyjątkowa dokładność pomiarów rzadkiego rozpadu mezonu pięknego B_s⁰ pozwoli wreszcie wyznaczyć granice Modelu Standardowego, obecnej teorii budowy materii, i ujawni pierwsze zjawiska nieznane współczesnej fizyce. Tymczasem spektakularny wynik najnowszej analizy jedynie rozszerzył zakres stosowalności Modelu.

Mezony są nietrwałymi cząstkami powstającymi m.in. w wyniku zderzeń protonów w akceleratorze LHC w CERN pod Genewą. Wśród fizyków panuje przekonanie, że w pewnych bardzo rzadkich rozpadach tych cząstek potencjalnie mogą zachodzić procesy, które naprowadziłyby naukę na trop nowej fizyki, zachodzącej z udziałem dotychczas nieznanych cząstek elementarnych. Nikogo nie powinno więc dziwić, że naukowcy uczestniczący w eksperymencie LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów od długiego czasu przyglądają się jednemu z takich rozpadów: rozpadowi mezonu pięknego B_s⁰ na mion i antymion. Najnowsza analiza, przeprowadzona dla znacznie większej niż dotychczas liczby przypadków, osiągnęła wyjątkową jak na ten rodzaj obserwacji dokładność. Jej wyniki znakomicie się zgadzają z przewidywaniami Modelu Standardowego, dotychczasowej teorii budowy materii!

„Najnowszy pomiar to spektakularne zwycięstwo, tyle że nieco... pyrrusowe. Jest to bowiem jeden z nielicznych przypadków, gdy tak duża zgodność doświadczenia z teorią zamiast cieszyć, powoli zaczyna martwić. Wraz z poprawą dokładności pomiarów rozpadów mezonów B_s⁰ spodziewaliśmy się zobaczyć nowe zjawiska, wychodzące poza Model Standardowy, o którym wiemy, że z całą pewnością nie jest teorią ostateczną. Jednak zamiast cieszyć się odkryciem zwiastuna naukowej rewolucji tylko wykazaliśmy, że Model jest bardziej dokładny niż nam się to pierwotnie wydawało!”, mówi prof. dr hab. Mariusz Witek z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.

Model Standardowy składa się z narzędzi teoretycznych skonstruowanych w latach 70. ubiegłego wieku do opisu zjawisk zachodzących w świecie cząstek elementarnych. Materię tworzą w nim cząstki elementarne z grupy nazywanej fermionami, obejmującej kwarki (dolne, górne, dziwne, powabne, piękne i prawdziwe) oraz leptony (elektrony, miony, taony i powiązane z nimi neutrina). W Modelu istnieją także cząstki antymaterialne, stowarzyszone z odpowiednimi cząstkami materii. Za przenoszenie oddziaływań między fermionami odpowiadają bozony pośredniczące: fotony są nośnikami sił elektromagnetycznych, osiem rodzajów gluonów to nośniki sił jądrowych silnych, a bozony W⁺, W^– i Z⁰ odpowiadają za siły słabe. Odkryty niedawno w LHC bozon Higgsa nadaje cząstkom masę (wszystkim oprócz gluonów i fotonów).

Mion to cząstka elementarna o ładunku elektrycznym elektronu i w pewnym uproszczeniu można powiedzieć, że jest jego odpowiednikiem, tyle że ok. 200 razy bardziej masywnym. Z kolei mezony B to nietrwałe cząstki zbudowane z dwóch kwarków: antykwarka pięknego oraz kwarka dolnego, górnego, dziwnego albo powabnego. Rozpad mezonu pięknego B_s⁰ na mion i obdarzony dodatnim ładunkiem elektrycznym antymion zachodzi niezwykle rzadko. W objętym analizą okresie pracy detektora LHCb przeprowadzono setki bilionów zderzeń protonów, a podczas każdego z nich rejestrowano całe kaskady dalej rozpadających się cząstek pochodnych. Z tak ogromnej liczby zdarzeń w wieloetapowym procesie selekcji udało się wybrać zaledwie kilkanaście przypadków poszukiwanego rozpadu (jeden z nich można obejrzeć w trzech wymiarach pod adresem http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/BsMuMu2017/lbevent/).

W najnowszej analizie zespół eksperymentu LHCb uwzględnił dane nie tylko z pierwszej, ale również z drugiej fazy pracy akceleratora LHC. Powiększona statystyka pozwoliła osiągnąć wyjątkową dokładność pomiaru rozpadu mezonu pięknego na mion i antymion, wynoszącą aż 7,8 odchyleń standardowych (popularnie oznaczanych grecką literą sigma). W praktyce wartość ta oznacza, że prawdopodobieństwo zarejestrowania podobnego wyniku wskutek przypadkowej fluktuacji jest mniejsze niż jeden do ponad 323 bilionów.

„Spektakularny pomiar rozpadu mezonu pięknego na parę mion-antymion zgadza z przewidywaniami Modelu Standardowego z dokładnością sięgającą aż dziewięciu miejsc po przecinku!”, podkreśla prof. Witek.

Model Standardowy wyszedł zwycięsko z kolejnej konfrontacji z rzeczywistością. Mimo to fizycy są pewni, że nie jest teorią doskonałą. Przekonanie to wynika z wielu faktów. Model w ogóle nie uwzględnia istnienia grawitacji, nie tłumaczy dominacji materii nad antymaterią we współczesnym Wszechświecie, nie oferuje żadnego wyjaśnienia natury ciemnej materii, nie pozwala odpowiedzieć na pytanie, dlaczego fermiony tworzą trzy grupy, zwane rodzinami. Na dodatek żeby Model Standardowy działał, trzeba w nim umieścić ponad 20 empirycznie dobranych stałych, m.in. masy poszczególnych cząstek.

„Najnowsza analiza z LHCb znacznie zawęża wartości parametrów, które powinny przyjmować pewne obecnie proponowane rozszerzenia Modelu Standardowego, np. teorie supersymetryczne. Zakładają one, że każdy dotychczasowy rodzaj cząstek elementarnych ma swojego bardziej masywnego odpowiednika – superpartnera. Teraz, w wyniku omawianego pomiaru, teoretycy zajmujący się supersymetrią mają coraz mniej możliwości dopasowania swej teorii do rzeczywistości. Nowa fizyka zamiast się przybliżać, znów się oddala”, podsumowuje prof. Witek.

Fizycy nie zamierzają jednak rezygnować z badań rozpadu mezonu B_s⁰ na parę mion i antymion. Wciąż pozostaje bowiem możliwość, że nowa fizyka rzeczywiście tu działa, tyle że jej efekty są mniejsze od oczekiwanych i nadal giną w błędach pomiarowych.

[PDF]

Kontakt:

prof. dr hab. Mariusz Witek
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 6628047
email: mariusz.witek@ifj.edu.pl

Prace naukowe:

„Measurement of the B⁰_s›μ⁺μ^- branching fraction and effective lifetime and search for B₀›μ⁺μ^- decays”
LHCb collaboration;
https://arxiv.org/abs/1703.05747
Wysłane do „Physical Review Letters”

Materiały graficzne:

Niezwykle rzadki rozpad mezonu pięknego B_s⁰ na dwa miony, zarejestrowany w 2016 roku w detektorze LHCb w CERN pod Genewą. Na powiększeniu u dołu widać, że punkt rozpadu znajdował się 17 mm od miejsca zderzenia dwóch protonów. (Źródło: IFJ PAN, CERN, The LHCb Collaboration)