PAN informacje

Eksperyment w CERN pokazał, że mezony powabne oraz ich antymaterialne odpowiedniki nie są wytwarzane w idealnie równych proporcjach. Fizycy z Krakowa zaproponowali własne wyjaśnienie tego zjawiska. To, co im wyszło w badaniach, może nieźle pomieszać szyki badaczom neutrin.

W pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu Wszechświat był wypełniony równymi ilościami cząstek i antycząstek. Gdy stygł, materia i antymateria zaczęły łączyć się ze sobą i anihilować, zamieniając się w promieniowanie. Dlaczego część materii, z której zbudowany jest dzisiejszy Wszechświat, przetrwała pożogę? Aby rozszyfrować tę wielką zagadkę współczesnej nauki, fizycy starają się lepiej poznać wszelkie mechanizmy odpowiadające za nawet najmniejsze dysproporcje w produkcji cząstek i antycząstek.

Źródło: IFJ PAN

Grupa naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, związana z eksperymentem LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w Genewie, przyjrzała się ostatnio jednemu z takich procesów: asymetrii pojawiającej się przy narodzinach mezonów i antymezonów powabnych. Wnioski z analizy mogą mieć bardzo wymierne znaczenie praktyczne. O badaniach poinformował IFJ PAN w przesłanym PAP komunikacie.

Zgodnie ze współczesną wiedzą, kwarki są najważniejszymi niepodzielnymi cegiełkami, z których składa się materia. Znamy je w sześciu rodzajach: są to kwarki górne (u), dolne (d), dziwne (s), powabne (c), piękne (b) i prawdziwe (t), przy czym każdy rodzaj ma także swój antymaterialny odpowiednik (często oznaczany kreską nad literą, czytaną jako „bar”).

Kwarki na ogół tworzą się w parach kwark-antykwark. Są cząstkami ekstremalnie towarzyskimi: niemal natychmiast po powstaniu wiążą się w hadrony, czyli zespoły dwóch, trzech, a niekiedy i więcej kwarków bądź antykwarków, spajanych za pomocą gluonów (czyli cząstek przenoszących silne oddziaływania jądrowe). Proces łączenia się kwarków/antykwarków w kompleksy to tzw. hadronizacja.

Nietrwałe hadrony zbudowane z pary kwark-antykwark nazwano mezonami. Jeśli w mezonie któryś z kwarków jest powabny, cząstkę określa się mianem mezonu powabnego i oznacza literą D (lub dla antykwarku powabnego: D z kreską). Para zbudowana z kwarku powabnego i antykwarku dolnego to mezon D+, a składająca się z antykwarku powabnego i kwarku dolnego to mezon D-.

W pomiarach przeprowadzonych w ostatnim ćwierćwieczu, w tym niedawno w ramach eksperymentu LHCb, zauważono ciekawą asymetrię. Okazało się, że mezony D+ i D- nie zawsze są produkowane w dokładnie tych samych proporcjach. W przypadku procesów obserwowanych w LHCb, inicjowanych w zderzeniach przeciwbieżnych wiązek protonów o dużych energiach, asymetria ta była niewielka, poniżej jednego procenta.

„Kwarki powabne powstają głównie podczas zderzeń gluonów, a po narodzinach hadronizują w mezony D. My przyjrzeliśmy się innemu mechanizmowi powstawania mezonów, znanemu jako niefaworyzowana fragmentacja kwarków. Mezon tworzy się tu w wyniku oddziaływania jakiegoś kwarku lekkiego – czyli górnego, dolnego lub dziwnego – z odpowiadającym mu antykwarkiem. Za pomocą niuansów takiego mechanizmu wcześniej wyjaśniono asymetrię między kaonami i antykaonami, czyli mezonami K+ i K-. Dotychczas jednak nie sprawdzano, czy podobny mechanizm mógłby tłumaczyć asymetrię między stosunkowo masywnymi mezonami D+ a D-” - mówi dr Rafał Maciuła (IFJ PAN), pierwszy autor publikacji w czasopiśmie „Physical Review D”.

Badania fizyków z IFJ PAN mogą nieść daleko idące konsekwencje dla obserwatoriów neutrinowych, takich jak detektor IceCube na Antarktydzie. Detektor ten, prowadzony przez 49 instytucji naukowych z 12 krajów, za pomocą tysięcy fotopowielaczy monitoruje kilometr sześcienny lodu znajdujący się niemal półtora kilometra pod powierzchnią. Fotopowielacze tropią subtelne błyski świetlne, inicjowane przez interakcję cząstek tworzących lód z neutrinami, cząstkami elementarnymi bardzo słabo oddziałującymi ze zwykłą materią.

IceCube rejestruje kilkaset neutrin dziennie. Przyjmuje się jednak, że neutrina o znacznych energiach dotarły do detektora bezpośrednio z odległych źródeł kosmicznych: supernowych lub zlewających się czarnych dziur bądź gwiazd neutronowych.

„Część tych procesów, skutkująca powstaniem neutrin o dużych energiach, odbywa się z udziałem mezonów D. Tymczasem my pokazujemy, że mechanizm produkcji tych mezonów w atmosferze może być znacznie bardziej wydajny niż się dotychczas wydawało. Jeśli więc nasze przypuszczenia się potwierdzą, część zarejestrowanych neutrin wysokoenergetycznych, teraz uznawanych za kosmiczne, w rzeczywistości powstała tuż nad naszymi głowami i zaburza rzeczywisty obraz wydarzeń w głębi kosmosu” - tłumaczy prof. dr hab. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

Model zaproponowany przez krakowskich fizyków ma dziś status hipotezy. Badacze proponują jednak, jak można ją zweryfikować. Według nich wystarczyłoby w akceleratorze LHC skierować pojedynczą wiązkę na nieruchomą tarczę.

Badania nad asymetrią w produkcji mezonów powabnych sfinansowano ze środków statutowych IFJ PAN i grantu Narodowego Centrum Nauki.

PAP - Nauka w Polsce