Instytut Fizyki Jądrowej PAN: „coraz mniejsze szanse na nową fizykę”

Ślady „nowej fizyki”, wykraczającej poza Model Standardowy, mogłyby kryć się w procesach związanych z rozpadami barionów. Analiza przeprowadzona przez naukowców z IFJ PAN wykazała jednak, że jedne z najrzadszych rozpadów barionów nie wykazują żadnych anomalii.

nuclear_physics_big.jpg

Fot. Freepik

Bariony to zlepki trzech kwarków, które mogą się rozpadać na mniejsze cząstki. Zazwyczaj tego typu procesy przebiegają w paru etapach, czyli rezonansowo. Czasem zdarza się jednak, że barion rozpada się na kilka cząstek pochodnych nie w kaskadzie zdarzeń, lecz od razu, za jednych zamachem – albo, jak określają to fizycy: nierezonansowo. Jak tłumaczy Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, 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. Mariusz Witek z IFJ PAN.

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. Wyniki tej analizy zostały opublikowane w piśmie Physical Review D (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.091101).

Dlaczego uwagę badaczy przykuły bariony Lambda c - czyli cząstki zbudowane z kwarków dolnego d, górnego u i powabnego c? Najbardziej masywny kwark t ulega tak szybkiemu rozpadowi, 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, m.in. 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, o którym można było przeczytać w Nauce w Polsce 

W grupie barionów zawierających kwarki ciężkie niezbadane wciąż 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).

„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" - dodaje fizyk.

W przypadku tak rzadkich zjawisk 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. Jak przyznają, 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.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl