O nouă fizică, inexplicabilă, dincolo de Modelul Standard este sugerată de rezultatele unor experimente recente. Un expert explică.

În calitate de fizician care lucrează la Large Hadron Collider (LHC) de la CERN, una dintre cele mai frecvente întrebări care mi se adresează este „Când vei găsi ceva?”.

Rezistând tentației de a răspunde sarcastic „În afară de bosonul Higgs, care a câștigat Premiul Nobel și o mulțime de noi particule compozite?”, îmi dau seama că motivul pentru care întrebarea este pusă atât de des se datorează modului cum a fost descris progresul din fizica particulelor.

Adesea vorbim despre progresul din fizica particulelor atunci când ne referim la descoperirea de noi particule. Într-adevăr, studiind o nouă particulă grea reuşim să observăm procese fizice subiacente care sunt ușor de explicat publicului şi astfel acesta este avizat cu privire la importanţa unei descoperiri.

Cu toate acestea, recent, o serie de măsurători precise ale particulelor și a unor procese standard deja cunoscute au amenințat să „zdruncine” fizica.

Deoarece LHC se pregătește să funcționeze la o energie și intensitate mai mari decât oricând, este timpul să discutăm pe larg implicațiile acestor măsurători.

În fizica particulelor există două moduri de lucru. Unul dintre ele presupune căutarea de noi particule, iar celălalt efectuarea de măsurători, foarte precise, care testează predicțiile teoriilor și caută abateri de la ceea ce se așteaptă să fie observat.

Să ne reamintim că dovezile timpurii pentru teoria relativității generale a lui Einstein, de exemplu, au venit prin descoperirea unor mici abateri în pozițiile aparente ale stelelor și din mișcarea planetei Mercur pe orbita sa.

Trei constatări cheie

Particulele se supun unei teorii contraintuitive, dar de mare succes, numită mecanică cuantică. Această teorie arată că particulele care sunt mult prea masive pentru a fi produse, în mod direct, printr-o coliziune în laborator pot influența comportamentul altor particule (prin aşa-numitele „fluctuații cuantice”). Măsurătorile unor astfel de efecte sunt însă foarte complexe și mult mai greu de explicat publicului.

Rezultatele unor experimente recente sugerează o nouă fizică, inexplicabilă, dincolo de Modelul Standard.

Studii detaliate din experimentul LHCb au descoperit că o particulă cunoscută sub numele de quarcul ”beauty” (quarcurile formează protonii și neutronii din nucleul atomic) se ”dezintegrează” (descompun) mult mai des într-un electron decât într-un miuon.

Conform Modelului Standard, acest lucru nu ar trebui să se întâmple, sugerând că noi particule sau chiar forțe ale naturii ar putea influența procesul.

Miuonii sunt ”verii” mai grei ai electronilor. Practic, miuonul este o copie a electronului, fiind identic din toate punctele de vedere cu excepția faptului că este de aproximativ 200 de ori mai greu.

Experimentul LHCb. Credit: CERN

Într-un mod intrigant, măsurătorile unor procese similare care implică quarcuri ”top” din experimentul ATLAS de la LHC arată că această dezintegrare are loc la rate egale pentru electroni și miuoni.

Între timp, în experimentul Muon g-2 de la Fermilab din SUA s-au efectuat recent studii, foarte precise, despre modul în care miuonii se ”clatină” în timp ce ”spinul” lor (o proprietate cuantică) interacționează cu câmpurile magnetice din jur. S-a găsit o abatere mică, dar semnificativă, de la unele predicții teoretice, ceea ce sugerează, din nou, că forțe sau particule necunoscute ar putea fi implicate.

Cel mai recent rezultat surprinzător este măsurarea masei unei particule fundamentale  numită bosonul W, care poartă forța nucleară slabă şi care este responsabilă pentru procesul dezintegrării radioactive.

Analiza datelor obţinute în acest experiment, desfăşurat tot la Fermilab, sugerează că bosonul W este semnificativ mai greu decât prezice teoria.

Din nou, este posibil ca masa unor particulele, încă nedescoperite, să se adauge la masa bosonului W.

Verdictul

Deși nu suntem absolut siguri că aceste efecte necesită o explicație nouă, se pare că se adună tot mai multe dovezi care sugerează că este nevoie de o nouă fizică.

Desigur, se vor propune la fel de multe mecanisme noi pentru a explica aceste observații câţi teoreticieni există. Mulți se vor referi la diferite forme de ”supersimetrie”. Aceasta este o teorie care sugerează că în Modelul Standard există de fapt de două ori mai multe particule fundamentale decât se crede, fiecare particulă având un ”super partener”. Aceste particule pot implica bosoni Higgs suplimentari (asociați cu câmpul care conferă particulelor fundamentale masa lor).

Alții vor invoca idei mai puțin la modă, cum ar fi teoria ”technicolor”, care sugerează că ar putea exista forțe fundamentale suplimentare ale naturii (pe lângă gravitaţie, forța nucleară slabă, forța electromagnetică şi forța nucleară tare) și care ar putea însemna că bosonul Higgs este, de fapt, un obiect compozit format din alte particule.

Doar experimentele vor dezvălui adevărul asupra acestor teorii, ceea ce este o veste bună pentru fizicienii experimentaliști.

Cercetătorii implicaţi în experimentele amintite sunt respectaţi în comunitatea ştiinţifică, astfel încât nu este nicio lipsă de respect pentru ei să observăm că aceste măsurători sunt extrem de dificil de efectuat.

În plus, predicțiile Modelului Standard necesită de obicei calcule în care sunt necesare aproximări. Aceasta înseamnă că diferiți teoreticieni pot prezice mase și rate ușor diferite de dezintegrare, în funcție de ipoteza de lucru și nivelul de aproximare admis.

În consecinţă, s-ar putea ca atunci când facem calcule mai precise, să constatăm că unele dintre noile constatări se potrivesc cu Modelul Standard.

În egală măsură, este posibil ca cercetătorii să folosească interpretări uşor diferite și să găsească astfel rezultate inconsistente. Compararea a două rezultate experimentale necesită o verificare atentă a faptului dacă s-a utilizat același nivel de aproximare în ambele cazuri.

Acestea sunt exemple de surse de ”incertitudine sistematică” și, deși toți cei implicați fac tot posibilul pentru a le cuantifica, pot exista complicații neprevăzute care le subestimează sau le supraestimează.

Nimic din toate acestea nu face ca rezultatele actuale să fie mai puțin interesante sau mai puțin importante.

Ceea ce ilustrează rezultatele este că există mai multe căi către o înțelegere mai profundă a noii fizici și toate trebuie explorate.

Traducere după The standard model of particle physics may be broken – an expert explains