Dovezi pentru o potenţială nouă forţă a naturii şi o nouă fizică

Acceleratorul de particule Large Hadron Collider (LHC) a stârnit entuziasm la nivel mondial în martie, deoarece fizicienii au anunţat dovezi pentru o nouă fizică, mai exact pentru o potențială nouă forță a naturii.

Se pare că noul nostru rezultat susţine această idee.

Cea mai bună teorie actuală a particulelor și forțelor este cunoscută drept Modelul Standard. Acesta descrie, cu o acuratețe fără egal, tot ce știm despre cele mai mici blocuri ale materiei care formează lumea din jurul nostru

Modelul Standard este, fără îndoială, cea mai de succes teorie științifică scrisă vreodată și totuși, în același timp, știm că este incomplet, deoarece descrie doar trei dintre cele patru forțe fundamentale:, forța electromagnetică, forța nucleară tare și forţa nucleară slabă, lăsând deoparte gravitația.

Modelul Standard nu oferă nicio explicație pentru materia întunecată despre care astronomia ne spune că domină Universul și nu poate explica modul prin care materia a supraviețuit Big Bang-ului.

Prin urmare, majoritatea fizicienilor sunt încrezători că mai există ingrediente cosmice ce aşteaptă să fie descoperite, iar studierea unei varietăți de particule fundamentale cunoscute sub numele de quarcuri „beauty” reprezintă o modalitate deosebit de promițătoare de a obține indicii despre acestea.

Quarcurile „beauty”, numite uneori quarcuri „bottom”, sunt particule fundamentale care la rândul lor formează particule mai mari. Există șase tipuri de quarcuri: „up”, „down”, „charm”, „strange”, „top (truth)” şi „bottom (beauty)”.

Quarcurile „up”, „down” alcătuiesc protonii și neutronii din nucleul atomic.

Quarcurile „beauty” sunt instabile, trăind în medie doar aproximativ 1,5 trilionimi de secundă înainte de a se dezintegra în alte particule. Modul în care se dezintegrează aceste quarcuri poate fi puternic influențat de existența altor particule sau forțe fundamentale.

Atunci când un quarc „beauty” se dezintegrează, el se transformă într-un set de particule mai ușoare, cum ar fi electronii, prin influența forței nucleare slabe. Una dintre modalitățile prin care o nouă forță a naturii s-ar putea manifesta este prin schimbarea subtilă a frecvenței cu care quarcurile „beauty” se dezintegrează în diferite tipuri de particule.

Lucrarea din martie s-a bazat pe date din experimentul LHCb, unul dintre cele patru detectoare gigantice de particule care înregistrează rezultatul coliziunilor de mare energie produse de LHC. („b” din LHCb vine de la „beauty”).

S-a descoperit că quarcurile „beauty” se dezintegrează în electroni şi în „verii” lor mai grei, numiţi miuoni, într-un ritm diferit. Acest lucru a fost cu adevărat surprinzător, deoarece, conform Modelului Standard, miuonul este practic o copie a electronului, fiind identic din toate punctele de vedere cu excepția faptului că este de aproximativ 200 de ori mai greu.

Aceasta înseamnă că toate forțele descrise de Modelul Standard ar trebui să atragă electronii și miuonii cu o forță egală, atunci când un quarc „beauty” se dezintegrează în electroni sau miuoni prin intermediul forței nucleare slabe şi ar trebui ca acest lucru să se producă la fel de des.

În schimb, colegii mei au descoperit că dezintegrarea în miuoni se producea cu o rată aproximativă de 85% din cea corespunzătoare dezintegrării în electroni. Presupunând că rezultatul este corect, atunci singura modalitate de a explica un astfel de efect ar fi dacă o nouă forță a naturii, care atrage electronii și muonii în mod diferit, interferează cu modul în care se dezintegrează quarcurile „beauty”.

Rezultatul a provocat un mare entuziasm în rândul fizicienilor. Noi căutăm de zeci de ani indicii pentru ceva în afara Modelului Standard și, în ciuda a zece ani de muncă la LHC, până acum nu s-a găsit nimic concludent.

În concluzie, descoperirea unei noi forțe a naturii ar putea oferi răspunsul la unele dintre cele mai profunde mistere cu care se confruntă știința modernă.

Noile rezultate

Deși rezultatul a fost tentant, acesta nu a fost concludent. Toate măsurătorile vin cu un anumit grad de incertitudine sau „eroare”. În acest caz, există doar aproximativ o șansă din 1.000 ca rezultatul să se reducă la o oscilație statistică aleatorie sau la „3 sigma”, așa cum spunem în limbajul fizicii particulelor.

Pentru a fi cu adevărat siguri că efectul este real, atunci ar trebui să ajungem la 5 sigma, ceea ce corespunde la mai puțin de o șansă dintr-un milion ca efectul să se reducă la o pură întâmplare statistică.

Pentru aceasta sunt necesare mai multe date. O modalitate ar fi ca experimentul să dureze mai mult timp și să înregistrăm mai multe dezintegrări.

Experimentul LHCb este în prezent în curs de modernizare pentru a putea înregistra coliziuni la o rată mult mai mare în viitor, ceea ce ne va permite să facem măsurători mult mai precise.

Putem obține informații utile şi din datele pe care le-am înregistrat deja, căutând tipuri similare de dezintegrări, care sunt mai greu de observat. Este ceea ce am făcut împreună cu colegii mei.

Experimentul LHCb. Credit: CERN

Strict vorbind, nu studiem niciodată, în mod direct, dezintegrarea quarcurilor „beauty”, deoarece toate quarcurile sunt întotdeauna legate cu alte quarcuri pentru a forma particule mai mari.

Studiul din martie a analizat quarcuri „beauty” care erau grupate cu quarcuri „up”. Rezultatul nostru a studiat două dezintegrări: una în care quarcurile „beauty” erau grupate cu quarcuri „down” și alta în care erau grupate și cu quarcuri „up”. Faptul că gruparea quarcurilor este diferită nu ar trebui să conteze, deoarece dezintegrarea care are loc este aceeași, astfel încât ne putem aștepta să vedem același efect, dacă există într-adevăr o nouă forță ce se manifestă acolo.

Exact asta am observat. De data aceasta, dezintegrările în miuoni s-au produs cu o rată de aproximativ 70% din cea a dezintegrărilor în electroni, dar cu o eroare mai mare, ceea ce înseamnă că rezultatul este de aproximativ „2 sigma” (aproximativ 2 șanse din 100 să fie o anomalie statistică).

Chiar dacă rezultatul nu este suficient de precis pentru a susţine dovezi ferme pentru o nouă forță a naturii, el se potriveşte cu rezultatul anterior și aduce noi dovezi că am putea fi în pragul unei mari descoperiri.

Desigur, trebuie să fim prudenți. Mai este un drum de parcurs înainte să putem afirma cu un anumit grad de certitudine că am observat cu adevărat influența unei a cincea forțe a naturii.

În prezent colegii mei lucrează din greu pentru a extrage cât mai multe informații posibile din datele existente, în timp ce se pregătesc pentru reluarea experimentului LHCb în varianta actualizată.

Între timp, alte experimente la LHC, precum și la experimentul Belle 2 din Japonia, se apropie de aceleași măsurători.

Este incitant să ne gândim că în următoarele câteva luni sau ani s-ar putea deschide o nouă fereastră asupra celor mai fundamentale ingrediente ale Universului.

Traducere după New physics: latest results from Cern further boost tantalising evidence