Na tropie leptokwarków i nowej fizyki

Materia dzieli się na dwa rodzaje cząstek: leptony i kwarki. Badacze podejrzewają, że przy odpowiednio dużej energii mogą powstawać leptokwarki. Temat zgłębia międzynarodowa grupa naukowców, która przeanalizowała dane z Wielkiego Zderzana Hadronów w CERN pod Genewą. W projekcie uczestniczy badaczka z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

 Na tropie leptokwarków i nowej fizyki.jpg

Zacznijmy od wyjaśnienia kluczowych pojęć. Dzięki dekadom eksperymentów i pomiarów wiemy już, że cząstki materii dzielą się na dwie całkowicie niezależne rodziny: kwarki i leptony (oraz ich antymaterialne odpowiedniki).

Kwarki zawsze występują w zlepkach. Układy dwóch kwarków są znane jako mezony. Układy trzech kwarków to bariony. Wśród tych ostatnich znajdziemy protony i neutrony, czyli cząstki tworzące jądra atomowe. Z kolei do leptonów zaliczamy elektrony, miony, taony oraz odpowiadające im neutrina.

W normalnych warunkach leptony i kwarki trzymają się „w swoim towarzystwie”. Kwarki oddziałują z kwarkami, a leptony z leptonami. Jednak fizycy przypuszczają, że przy odpowiednio dużej energii mogą powstawać leptokwarki. Gdyby istniały, byłyby nietrwałymi cząstkami o bardzo dużych masach, porównywalnych z masą całego jądra ołowiu.

Analiza danych z CERN

Tematowi przyjrzała się bliżej międzynarodowa grupa, złożona z badaczy reprezentujących Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Technische Universitat w Dortmundzie i Centre National de la Recherche Scientifique w Paryżu.

Naukowcy przeanalizowali dane z lat 2011-2012 z Wielkiego Zderzacza Hadronów. Chodzi konkretnie o zderzenia protonów w ramach eksperymentu LHCb (tzw. detektor mezonów B). Kluczem do zrozumienia poszukiwań oraz ich efektów jest tzw. liczba leptonowa.

Model Standardowy i liczba leptonowa

Na początek kilka słów o Modelu Standardowym. To teoria wyjaśniająca, czym jest świat i co utrzymuje go w całości. Została wielokrotnie potwierdzona, również w Wielkim Zderzaczu Hadronów, ale nie przynosi odpowiedzi na wszystkie pytania. Zdaniem teoretyków niektóre cząstki mogą powstawać w procesach wychodzących poza tę standardową fizykę.

„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” – wyjaśnia dr Jihyun Bhom z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

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. Jeśli zatem w jakiejś interakcji uczestniczą np. dwa elektrony (o sumarycznej liczbie elektronowej dwa) to na końcu procesu liczba ta również będzie wynosić dwa. Dozwolona jest więc produkcja zarówno dwóch elektronów, jak też czterech elektronów i dwóch pozytonów.

Poszukiwania leptokwarków

„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” – mówi dr Jihyun Bhom.

Mimo użycia wyrafinowanych narzędzi matematycznych badaczom z międzynarodowej grupy nie udało się namierzyć śladów zjawisk łamiących zachowanie liczby leptonowej. Dokonali jednak czegoś innego.

„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 Jihyun Bhom.

Wnioski z projektu

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 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.

Źródło informacji i zdjęcia: Instytut Fizyki Jądrowej PAN

Artykuł naukowców w czasopiśmie „Physical Review Letters”