26.03.2021

Łamanie uniwersalności leptonowej – pierwszy sygnał Nowej Fizyki?

23 marca 2021 r. naukowcy pracujący w ramach eksperymentu LHCb prowadzonego w CERN ogłosili obserwację łamania uniwersalności leptonowej w procesach rozpadów mezonów pięknych do stanów końcowych zawierających pary leptonów (elektrony lub miony). Jest to potencjalnie przełomowa obserwacja wskazująca na istnienie procesów Nowej Fizyki, które nie mogą być opisane przez Model Standardowy cząstek elementarnych. W eksperymencie LHCb bierze udział grupa naukowców z AGH.


Naukowcy biorący udział w eksperymencie LHCb. Źródło: CERN

Eksperyment LHCb (ang. Large Hadron Collider beauty) to jeden z tak zwanych „wielkich eksperymentów” prowadzonych przy przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN (Genewa, Szwajcaria). LHCb jest spektrometrem dedykowanym do wykonywania najbardziej precyzyjnych testów Modelu Standardowego w sektorze ciężkich kwarków. Jego najważniejszymi częściami składowymi, mającymi zasadniczy wpływ na obserwację łamania uniwersalności leptonowej, są system śladowy (rekonstrukcja śladów cząstek naładowanych) oraz system do identyfikacji cząstek.

Od roku 2001 częścią eksperymentu jest grupa LHCb-AGH z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej, złożona z pracowników wydziału i doktorantów. Działalność 14-osobowego zespołu dotyczy wszystkich aspektów eksperymentalnych i obejmuje projektowanie elektroniki odczytu, fizykę detektorów, tworzenie oprogramowania do symulacji, rekonstrukcji oraz obsługi detektorów, jak również analizę danych. Liderem grupy jest dr hab. inż. Tomasz Szumlak; dr hab. inż. Agnieszka Obłąkowska-Mucha koordynuje analizy danych fizycznych, a prof. dr hab. inż. Marek Idzik – prace związane z projektowaniem elektroniki odczytu. Zespół ma istotny wkład w obsługę i utrzymanie systemu śladowego spektrometru LHCb. Fizycy z AGH prowadzą również analizy dotyczące pomiarów fundamentalnych parametrów Modelu Standardowego.

Model Standardowy, zbudowany na fundamencie idei lokalnej symetrii cechowania, uchodzi za jedną z najważniejszych teorii nowoczesnej fizyki. Ma jednak swoje niedostatki: brak możliwości włączenia oddziaływań grawitacyjnych, stosunkowo duża liczba parametrów wolnych czy problem z wyjaśnieniem natury ciemnej materii i ciemnej energii. Problemy te mogą zostać opisane tylko w ramach innej, pełniejszej teorii, nazywanej Nową Fizyką.

Od ponad 10 lat fizycy pracujący przy LHC intensywnie poszukują nowych zjawisk, których nie dałoby się opisać za pomocą Modelu Standardowego. Do tej pory próby te były bezskuteczne. Analizie przy użyciu tego modelu zdaje się wymykać dopiero zachowanie leptonów w procesach związanych z wybranymi rozpadami kwarków pięknych: b → sl+ l-, gdzie s oznacza kwark dziwny, natomiast l+ oznacza naładowany lepton. Diagram reprezentujący tego typu proces przedstawia poniższy rysunek:


 
Fundamentalnym założeniem Modelu Standardowego jest uniwersalność oddziaływań leptonów z bozonami pośredniczącymi (nośnikami oddziaływań elektrosłabych). Jeżeli uniwersalność leptonowa jest zachowana, to wszelkie procesy prowadzące do produkcji stanów końcowych różniących się pomiędzy sobą zapachem (lub inaczej typem) leptonów powinny zachodzić w dokładnie taki sam sposób. W eksperymencie LHCb przeprowadzono analizę dwóch kanałów rozpadu pięknego mezonu B+: B+ → K+ e+ e- oraz B+ → K+ μ+ μ- oraz wyznaczono stosunek częstości obu rozpadów. W przypadku gdy uniwersalność leptonowa jest zachowana, stosunek ten powinien wynosić dokładnie 1. Pomiary dokonane przez zespół pracujący przy LHCb dały wartość:

Oznacza to, że rozpady do stanów końcowych zawierające elektrony są preferowane w stosunku do stanów końcowych zawierających miony. Jest to pierwsza tego typu obserwacja podważająca Model Standardowy. Znaczącość tej obserwacji jest na poziomie 3,1 σ, co oznacza, że nie można jeszcze ogłosić definitywnego odkrycia, chociaż obserwowane prawdopodobieństwo zgodności z Modelem Standardowym wynosi około 0,1%. Nowe dane, które jednoznacznie rozstrzygną o odkryciu, eksperyment zacznie zbierać w roku 2022.

Dodatkowe informacje można znaleźć na stronie eksperymentu LHCb CERN.


Dr hab. inż. Tomasz Szumlak, prof. AGH,
kierownik Katedry Oddziaływań i Detekcji Cząstek na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej