„Nowa fizyka” powabnie nam umyka
2 sierpnia 2018
EurekAlert!: [http://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-08/thni-pc080218.php]
Bariony zawierające kwark powabny mogą się rozpadać od razu na proton i dwa miony. Za pomocą danych z eksperymentu LHCb naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie wykazali, że w tych niezwykle rzadkich procesach nadal nie widać śladów „nowej fizyki”. Na górze sygnał nierezonansowego rozpadu na proton i dwa miony, poniżej sygnał dla rozpadu rezonansowego z udziałem mezonu omega. (Źródło: IFJ PAN, CERN, The LHCb Collaboration)
W świecie cząstek elementarnych ślady potencjalnej „nowej fizyki” mogą się kryć w procesach związanych z rozpadami barionów. Za pomocą analizy danych z eksperymentu LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie wykazali jednak, że jedne z najrzadszych rozpadów barionów zawierających kwark powabny dotychczas nie wykazują żadnych anomalii.
Bariony, czyli zlepki trzech kwarków, mogą się rozpadać na mniejsze cząstki. Procesy tego typu zwykle przebiegają w paru etapach (rezonansowo). Niekiedy zdarza się jednak, że barion rozpada się na kilka cząstek pochodnych nie w kaskadzie zdarzeń, lecz od razu, w jednym kroku (nierezonansowo). Rozwijany od pół wieku Model Standardowy, najdoskonalsze narzędzie współczesnej fizyki służące do opisu zjawisk zachodzących wśród cząstek elementarnych, przewiduje, że nierezonansowe rozpady barionów są ekstremalnie rzadkie: w zależności od typu barionu powinny się pojawiać raz na miliardy przypadków lub z jeszcze mniejszą częstotliwością.
„Gdyby częstotliwość jakichś rozpadów nierezonansowych była inna niż przewidywana przez Model Standardowy, mogłaby świadczyć o istnieniu nieznanych dotychczas procesów i cząstek, a zatem o 'nowej fizyce'. To dlatego rozpady nierezonansowe od dłuższego czasu przykuwają naszą uwagę
”, wyjaśnia prof. dr hab. Mariusz Witek z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.
Prof. Witek kierował pięcioosobową grupą krakowskich fizyków, zajmującą się poszukiwaniami nierezonansowych rozpadów barionów powabnych Lambda c w danych zebranych w 2011 i 2012 roku w międzynarodowym eksperymencie LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w Genewie.
Dlaczego tym razem uwagę krakowskich badaczy przykuły bariony Lambda c, czyli cząstki zbudowane z kwarków dolnego d, górnego u i powabnego c? Najbardziej masywny kwark t rozpada się tak szybko, że w ogóle nie łączy się z innymi kwarkami, a więc nie tworzy barionów, których rozpady można byłoby rejestrować. Rozpady barionów z drugim pod względem masy kwarkiem pięknym b analizowano już wcześniej, między innymi dlatego, że świadczące o ich zachodzeniu sygnały były nieco łatwiejsze do wychwycenia. Grupa krakowska wniosła tu swój wkład przyczyniając się do wykrycia ciekawego odchylenia od przewidywań teoretycznych (http://press.ifj.edu.pl/news/2016/03/). W tej sytuacji terra incognita wśród barionów zawierających kwarki ciężkie pozostawały bariony powabne.
„Model Standardowy przewiduje, że nierezonansowe rozpady barionów Lambda c, których efektem są trzy cząstki: proton i dwa miony, powinny się pojawiać mniej więcej raz na setki miliardów rozpadów. To znacznie rzadsze zjawisko niż rozpady barionów z kwarkiem pięknym b, którymi zajmowaliśmy się wcześniej
”, podkreśla dr hab. Marcin Chrząszcz (IFJ PAN) i uzupełnia: „Pomiary i analizy są teraz znacznie trudniejsze, trzeba przyjrzeć się wielokrotnie większej grupie zdarzeń zarejestrowanych w eksperymencie LHCb. Warto to jednak robić, bo w nagrodę można natrafić na trop znacznie bardziej subtelnych procesów. Gdyby udało się tu zaobserwować jakąkolwiek niezgodność z przewidywaniami, najprawdopodobniej byłaby ona zwiastunem 'nowej fizyki'
”
Przy tak rzadkich zjawiskach odróżnienie sygnałów świadczących o nierezonansowych rozpadach barionów Lambda c od szumu tła okazało się zadaniem żmudnym i czasochłonnym. Mimo to krakowskim fizykom udało się stukrotnie poprawić górną granicę na częstotliwość występowania rozpadów nierezonansowych. Oszacowano ją na mniejszą od jednego przypadku na setki milionów.
„Uwzględnienie kolejnych danych, w tym z drugiego cyklu pracy akceleratora LHC, powinno już wkrótce poprawić nasz wynik o czynnik 10. Bylibyśmy więc już bardzo blisko przewidywań Modelu Standardowego. Jeśli w rozpadach barionów Lambda c przejawia się jakaś 'nowa fizyka', będzie to ostatni dzwonek, by mogła się ujawnić. Na razie nie widać jej najmniejszego śladu
”, podsumowuje prof. Witek.
W trakcie analiz krakowscy badacze zaobserwowali również rozpady rezonansowe, w których barion Lambda c rozpadał się na proton i mezon omega. Pewnym zaskoczeniem okazał się brak sygnałów świadczących o jeszcze innej ścieżce rozpadu rezonansowego, na proton i mezon rho. Wynik ten okazał się jednak zgodny z przewidywaniami teoretycznymi.
[PDF]
Kontakt:
prof. dr hab. Mariusz Witek
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel. +48 12 662 8047
email: mariusz.witek@ifj.edu.pl
Prace naukowe:
„Search for the rare decay $\Lambda_ {c}^{+}\to p\mu^+\mu^-$”
LHCb Collaboration
Physical Review D 97, 091101(R)
DOI: http://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.091101
Materiały graficzne:
Bariony zawierające kwark powabny mogą się rozpadać od razu na proton i dwa miony. Za pomocą danych z eksperymentu LHCb naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie wykazali, że w tych niezwykle rzadkich procesach nadal nie widać śladów „nowej fizyki”. Na górze sygnał nierezonansowego rozpadu na proton i dwa miony, poniżej sygnał dla rozpadu rezonansowego z udziałem mezonu omega. (Źródło: IFJ PAN, CERN, The LHCb Collaboration)