IFJ PAN w Krakowie wraz z Uczelniami z Niemiec i Francji badają zjawiska wychodzące poza znaną nam fizykę

Elektrony z "kolegami" – innymi leptonami – to jedne z wielu produktów zderzeń obserwowanych w eksperymencie LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów. Zdaniem teoretyków, niektóre z tych cząstek mogą powstawać w procesach wychodzących poza standardową fizykę. Najnowsza analiza weryfikuje te przewidywania.

Poza granicami standardowej fizyki...

Czy za anomaliami, obserwowanymi w eksperymencie LHCb w rozpadach mezonów pięknych (B), kryją się nieznane cząstki, spoza obecnie obowiązującego i doskonale przetestowanego Modelu Standardowego? Aby odpowiedzieć na to pytanie, fizycy szukają nie tylko kolejnych oznak istnienia nowych cząstek, ale także śladów zjawisk mogących zachodzić z ich udziałem.

Jednym z procesów proponowanych przez teoretyków, a wykraczającym poza świat znanej fizyki, jest łamanie zasady zachowania liczby leptonowej. To hipotetyczne zjawisko znalazło się w centrum zainteresowania międzynarodowej grupy badaczy, w której skład wchodzili przedstawiciele Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie, Technische Universität w Dortmundzie (TUD) i Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) w Paryżu. Ze szczególną uwagą przeanalizowali oni dane zebrane w latach 2011-12 podczas zderzeń protonów w ramach eksperymentu LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN pod Genewą. Wyniki poszukiwań zostały właśnie omówione na łamach prestiżowego czasopisma "Physical Review Letters".

Dzięki dekadom eksperymentów i pomiarów wykonanych przez fizyków jądrowych i badaczy promieniowania kosmicznego wiadomo, że cząstki materii dzielą się na dwie całkowicie niezależne rodziny: kwarki i leptony (oraz ich antymaterialne odpowiedniki). Kwarki (górny, dolny, dziwny, powabny, piękny i prawdziwy) zawsze występują w zlepkach. Układy dwóch kwarków są znane jako mezony, układy trzech kwarków to bariony. Wśród tych ostatnich znajdziemy proton i neutron, cząstki tworzące jądra atomowe. Z kolei do leptonów zaliczamy elektrony, miony, taony oraz odpowiadające im neutrina.

- Właściwości leptonów i kwarków różnią się w sposób zasadniczy. W rezultacie obie grupy cząstek są opisywane za pomocą zestawów innych liczb, zwanych liczbami kwantowymi. Jedną z liczb kwantowych używanych do opisu leptonów jest liczba leptonowa. Na przykład każdy elektron ma elektronową liczbę leptonową równą 1. Z kolei antymaterialne odpowiedniki elektronów, czyli pozytony, mają liczbę elektronową -1 - tłumaczy dr Jihyun Bhom (IFJ PAN), główna autorka analizy. - Tak dochodzimy do zjawiska kluczowego dla wyjaśnienia sensu naszej pracy. Otóż w ramach Modelu Standardowego obowiązuje zasada zachowania liczby leptonowej. Mówi ona, że suma liczb leptonowych cząstek na początku i na końcu procesu musi być zawsze taka sama.

Wymóg zachowania liczby leptonowej powoduje, że jeśli w jakiejś interakcji uczestniczą np. dwa elektrony, o sumarycznej liczbie elektronowej dwa, to na końcu procesu liczba ta również będzie wynosić dwa. W przedstawionym przykładzie w ramach Modelu Standardowego dozwolona jest więc produkcja zarówno dwóch elektronów, jak też czterech elektronów i dwóch pozytonów, etc.

Generacje i leptokwarki

Zarówno leptony, jak i kwarki, można podzielić na trzy grupy zwane generacjami. Istnienie tej samej liczby generacji leptonów i kwarków skłoniło teoretyków na świecie do przypuszczenia, że przy odpowiednio dużej energii leptony i kwarki mogą się "stopić" w leptokwarki – hipotetyczne cząstki o cechach zarówno leptonów, jak i kwarków. Gdyby istniały, leptokwarki powinny być nietrwałymi cząstkami o bardzo dużych masach, porównywalnych nawet z masą całego jądra ołowiu.

- W procesach, w których uczestniczyłyby leptokwarki, liczby leptonowe nie muszą być zachowane. Wykrycie śladów zjawisk z łamaniem zasady zachowania liczby leptonowej byłoby więc znaczącym krokiem na drodze do detekcji cząstek spoza Modelu Standardowego. W szczególności ułatwiłoby nam interpretację natury anomalii, które od pewnego czasu coraz wyraźniej widać w danych z rozpadów mezonów pięknych, a więc cząstek zawierających kwark dolny i antykwark piękny. - mówi dr Bhom.

W najnowszych analizach statystycznych niezbędne okazało się użycie sztucznej inteligencji. Na dodatek nie jednej.

- Interesowały nas rozpady mezonu B prowadzące do powstania mezonu K, mionu i elektronu. Tak się jednak składa, że w ramach Modelu Standardowego znaczna część rozpadów mezonu B prowadzi do dokładnie tych samych produktów z neutrinami (tych ostatnich nie udaje się rejestrować). Tak ogromne tło należało bardzo precyzyjnie usunąć z zebranych danych. Za to zadanie odpowiadała jedna sztuczna inteligencja. Druga okazała się konieczna by zlikwidować pozostałości tła przepuszczone przez pierwszą. - wyjaśnia dr Bhom.

Mimo użycia wyrafinowanych narzędzi matematycznych, badaczom z IFJ PAN, TUD i CNRS nie udało się wykryć śladów zjawisk łamiących zachowanie liczby leptonowej. Nie ma jednak tego złego, co by na dobre nie wyszło.

- Z pewnością sięgającą 95% aż o rząd wielkości poprawiliśmy dotychczasowe ograniczenia na rozwiązania przedstawiane przez teoretyków w celu wyjaśnienia obecności anomalii w rozpadach mezonów B. W rezultacie jako pierwsi w istotny sposób zawęziliśmy obszary poszukiwań teorii tłumaczących istnienie tych anomalii za pomocą nowej fizyki. - podkreśla dr Bhom.

Jeśli istnieją, procesy łamiące zasadę zachowania liczby leptonowej najwyraźniej zachodzą znacznie rzadziej niż przewidywały to najpopularniejsze rozszerzenia Modelu Standardowego z udziałem leptokwarków. Co więcej, same anomalie w rozpadach mezonów pięknych wcale nie muszą być związane z nowymi cząstkami. Wciąż nie można wykluczyć możliwości, że są to artefakty technik pomiarowych, użytych narzędzi matematycznych lub skutek nieuwzględnienia jakiegoś zjawiska zachodzącego w obrębie obecnie znanej fizyki. Można mieć tylko nadzieję, że kolejne, już zainicjowane analizy, z uwzględnieniem najnowszych danych zebranych w LHC, w ciągu kilku lat ostatecznie rozwieją wątpliwości dotyczące istnienia fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.

Zobacz też: Klatki molekularne spojone złotem - przyszłość biomedycyny?

ip

fot. Dr Jihyun Bhom z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie na tle detektora LHCb w CERN. (Źródło: IFJ PAN)