Modyfikacja, przeprowadzona z powodu niezgodności między wynikami doświadczeń a teoretycznymi modelami, upraszcza fragment standardowego matematycznego modelu fizyki cząstek.

Złożone struktury subatomowe, stworzone przez potężne zderzenia protonów, rozpadały się w nieoczekiwany sposób! Doszło do tego wewnątrz jednego z detektorów Wielkiego Zderzacza Hadronów zwanego LHCb. Widniejąca w nazwie detektora litera „b” to oznaczenie kwarku pięknego (beauty), jednego z podstawowych budulców materii. Pary kwarków: piękny + inny (jeden z kilku różnych rodzajów) tworzą mezon piękny.

Mezony są nietrwałymi strukturami, które szybko rozpadają się na cząstki elementarne. Jeden rozpad produkuje albo elektron i pozyton albo mion i jego odpowiednik w antymaterii anty-mion. Model Standardowy fizyki cząstek – potężny model matematyczny, który doprowadził fizyków do odkrycia bozonu Higgsa, a przedtem innych cząstek – przewiduje, że te dwa wyniki będą pojawiały się z równym prawdopodobieństwem. Jednak eksperymenty przeprowadzone za pomocą detektora LHCb pokazują, że częstość powstawania mionu w stosunku do elektronu przy rozpadzie mezonu jest o 25% niższa niż oczekiwano. Anomalie tego rodzaju prognozują „nową fizykę”, a raczej ujawniają szczegóły podstawowych sił natury, które należy rozpracować.

Benjamin Grinstein, profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, razem ze współpracownikami Rodrigo Alonso De Pablo i Jorge Martin Camalich rozpatrzyli na nowo matematykę, która leży u podstaw prognozy. Wyniki zostały opublikowane w grudniu 2014 roku w czasopiśmie Physical Review Letters.

Model Standardowy opisuje cząstki oraz ich wzajemne oddziaływania, które tworzą podstawowe siły natury w tym elektromagnetyzm i oddziaływanie słabe, które jest odpowiedzialne za rozpad promieniotwórczy. W zwykłych okolicznościach oddziaływanie słabe i elektromagnetyzm wydają się być różnymi siłami, lecz w nadzwyczajnych warunkach, czyli takich jakie panują w zderzaczach lub panowały w kosmosie po Wielkim Wybuchu, uważa się, że stają się one jednym oddziaływaniem – jest to tzw. teoria oddziaływań elektrosłabych.

Zauważyliśmy, że przy przeprowadzaniu eksperymentów na cząstkach niskiej masy np. mezonach, ludzie posługiwali się parametrami, które nie zawierały pewnych ograniczeń – tych zmian w Modelu Standardowym, za które odpowiedzialne są dodatkowe oddziaływania. Kiedy działasz, napotykasz zaskakująco wiele ograniczeń. Myśl, że przy niskich energiach możesz pominąć ograniczenia pochodzące z Teorii Małej Unifikacji ponieważ ich nie dostrzegasz, jest błędna” – mówi Grinstein.

Zespół Grinsteina stwierdził, że kiedy dwie siły stają się jednym oddziaływaniem, niektóre wyrażenia matematyczne opisujące oddziaływania (parametry) przestają być dozwolone i mogą zostać pominięte. Istnieją także parametry pokrewne (wzajemnie zależne), które można zastąpić pojedynczym parametrem i w ten sposób można ograniczyć całkowitą liczbę parametrów, które muszą być uwzględniane przez model.

Zazwyczaj bliższe spojrzenie prowadzi do bardziej szczegółowych i skomplikowanych modeli. Jedną z przyjemniejszych rzeczy w tym projekcie jest to, że nasze założenia znacząco uprościły badanie fizyki tych rozpadów” – mówi Alonso.

Opis jaki zaproponował zespół jest w pełni zgodny z matematyką Modelu Standardowego. Jest to dodatek, który wyjaśnia drobne odstępstwa w oczekiwanym zachowaniu cząstek o małych masach takich jak rozpad mezonów pięknych, dziwnych czy powabnych. Uproszczony opis matematyczny zawiera szczegółowe prognozy tego, co fizycy doświadczalni powinni obserwować. Dla przykładu – ogranicza on spin czy skrętność cząstek elementarnych produkowanych przez pewne oddziaływania.

Są to wyjątkowo rzadkie zdarzenia: jeden na 100 milionów rozpadów mezonu pięknego odbywa się w ten sposób, choć zderzacz produkuje ich miliardy. Tylko ten jeden detektor widział anomalie, które rozważał zespół Grinsteina.

Ta parametryzacja pomija wymianę cząstek, która według Kwantowej Teorii Pola powoduje powstawanie sił i oddziaływań. Jest to jednak potencjalny przewodnik do odkrywania nowych cząstek elementarnych. Kiedy wymiana jest dobrze opisana, możesz powrócić do pytania jaki rodzaj cząstki, spełniający bardzo specyficzne wymagania, musi pośredniczyć w tym zdarzeniu.

Jeśli istnieją dodatkowe cząstki, to być może dotychczas umknęły naszej uwadze dlatego, że są zbyt ciężkie, by mogły powstać w obecnych zderzaczach.

Kosmologia ukazuje nam nieodkrytą fizykę z istnieniem ciemnej materii, zbudowanej z nieznanej substancji oraz ciemnej energii, która przyspiesza ekspansję Wszechświata z niewyjaśnioną siłą. Tajemnice mogą zostać powiązane, jeśli nowe cząstki okażą się być budulcem ciemnej materii.

W fizyce, jeśli będziesz zadawać pytania, możesz dotrzeć do fundamentów, podstawowych oddziaływań, które są w stanie wyjaśnić wszystko inne” – mówi Alonso.

Autor

Katarzyna Więcek