20.08.2018
PL EN
15.04.2017 aktualizacja 15.04.2017

Pyrrusowe zwycięstwo w badaniu mezonów: Model Standardowy wciąż arcydokładny

Naukowcy badający rozpady mezonów w eksperymencie LHCb w CERN mieli nadzieję, że znajdą wyłom w obecnej teorii budowy materii - Modelu Standardowym. A tu - jak na złość - teoria znów okazała się zaskakująco zbieżna z doświadczeniem.

Model Standardowy składa się z narzędzi teoretycznych skonstruowanych w latach 70. ub. wieku do opisu zjawisk zachodzących w świecie cząstek elementarnych. Jednak on, podobnie jak każda inna teoria fizyczna, jest zawsze tylko uproszczonym odwzorowaniem rzeczywistości i w konsekwencji ma określony zakres stosowalności.

Wielu naukowców pracujących przy eksperymencie LHCb w CERN miało nadzieję, że właśnie osiągnięta, wyjątkowa dokładność pomiarów rzadkiego rozpadu mezonu pięknego Bs0 pozwoli wreszcie wyznaczyć granice Modelu Standardowego i ujawni pierwsze zjawiska nieznane współczesnej fizyce. Tymczasem spektakularny wynik najnowszej analizy jedynie rozszerzył zakres stosowalności Modelu. Badania podsumowano w komunikacie Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie.

Mezony są nietrwałymi cząstkami powstającymi m.in. w wyniku zderzeń protonów w akceleratorze LHC w CERN pod Genewą. Wśród fizyków panuje przekonanie, że w pewnych bardzo rzadkich rozpadach tych cząstek potencjalnie mogą zachodzić procesy, które naprowadziłyby naukę na trop nowej fizyki, zachodzącej z udziałem dotychczas nieznanych cząstek elementarnych. Naukowcy uczestniczący w eksperymencie LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów od długiego czasu przyglądają się jednemu z takich rozpadów: rozpadowi mezonu pięknego Bs0 na mion i antymion. Najnowsza analiza, przeprowadzona dla znacznie większej niż dotychczas liczby przypadków, osiągnęła wyjątkową jak na ten rodzaj obserwacji dokładność. Jej wyniki znakomicie zgadzają się z przewidywaniami Modelu Standardowego.

"Najnowszy pomiar to spektakularne zwycięstwo, tyle że nieco... pyrrusowe. Jest to bowiem jeden z nielicznych przypadków, gdy tak duża zgodność doświadczenia z teorią zamiast cieszyć, powoli zaczyna martwić. Wraz z poprawą dokładności pomiarów rozpadów mezonów Bs0 spodziewaliśmy się zobaczyć nowe zjawiska, wychodzące poza Model Standardowy, o którym wiemy, że z całą pewnością nie jest teorią ostateczną. Jednak zamiast cieszyć się odkryciem zwiastuna naukowej rewolucji - tylko wykazaliśmy, że Model jest bardziej dokładny, niż nam się pierwotnie wydawało!" - mówi prof. dr hab. Mariusz Witek z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie.

Rozpad mezonu pięknego Bs0 na mion i obdarzony dodatnim ładunkiem elektrycznym antymion zachodzi niezwykle rzadko. W objętym analizą okresie pracy detektora LHCb przeprowadzono setki bilionów zderzeń protonów, a podczas każdego z nich rejestrowano całe kaskady dalej rozpadających się cząstek pochodnych. Z tak ogromnej liczby zdarzeń w wieloetapowym procesie selekcji udało się wybrać zaledwie kilkanaście przypadków poszukiwanego rozpadu (jeden z nich można obejrzeć w trzech wymiarach pod adresem internetowym).

W najnowszej analizie zespół eksperymentu LHCb uwzględnił dane nie tylko z pierwszej, ale również z drugiej fazy pracy akceleratora LHC. Powiększona statystyka pozwoliła osiągnąć wyjątkową dokładność pomiaru rozpadu mezonu pięknego na mion i antymion, wynoszącą aż 7,8 odchyleń standardowych (popularnie oznaczanych grecką literą sigma). W praktyce wartość ta oznacza, że prawdopodobieństwo zarejestrowania podobnego wyniku wskutek przypadkowej fluktuacji jest mniejsze, niż jeden do ponad 323 bilionów.

"Spektakularny pomiar rozpadu mezonu pięknego na parę mion-antymion zgadza z przewidywaniami Modelu Standardowego z dokładnością sięgającą aż dziewięciu miejsc po przecinku!" - podkreśla prof. Witek.

Model Standardowy wyszedł zwycięsko z kolejnej konfrontacji z rzeczywistością. Mimo to fizycy są pewni, że nie jest teorią doskonałą. Przekonanie to wynika z wielu faktów. Model w ogóle nie uwzględnia istnienia grawitacji, nie tłumaczy dominacji materii nad antymaterią we współczesnym Wszechświecie, nie oferuje żadnego wyjaśnienia natury ciemnej materii, nie pozwala odpowiedzieć na pytanie, dlaczego fermiony tworzą trzy grupy, zwane rodzinami. Na dodatek żeby Model Standardowy działał, trzeba w nim umieścić ponad 20 empirycznie dobranych stałych, m.in. masy poszczególnych cząstek.

"Najnowsza analiza z LHCb znacznie zawęża wartości parametrów, które powinny przyjmować pewne obecnie proponowane rozszerzenia Modelu Standardowego, np. teorie supersymetryczne. Zakładają one, że każdy dotychczasowy rodzaj cząstek elementarnych ma swojego bardziej masywnego odpowiednika – superpartnera. Teraz, w wyniku omawianego pomiaru, teoretycy zajmujący się supersymetrią mają coraz mniej możliwości dopasowania swej teorii do rzeczywistości. Nowa fizyka zamiast się przybliżać, znów się oddala" - podsumowuje prof. Witek.

Fizycy nie zamierzają jednak rezygnować z badań rozpadu mezonu Bs0 na parę mion i antymion. Wciąż pozostaje bowiem możliwość, że nowa fizyka rzeczywiście tu działa, tyle że jej efekty są mniejsze od oczekiwanych i nadal giną w błędach pomiarowych.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ zan/

Copyright © Fundacja PAP 2018