ЦЕРН подтверждает трансформацию ультраредких частиц и намекает на новую физику

В коллайдере частиц в ЦЕРН редко наблюдаемое событие приближает нас к порогу новой физики.

После многих лет проведения так называемого эксперимента NA62 физик элементарных частиц Кристина Лаззерони из Бирмингемского университета в Великобритании и ее коллеги установили, экспериментально наблюдали и измерили распад заряженной каонной частицы на заряженный пион и пару нейтрино-антинейтрино. Исследователи представили свои результаты на семинаре ЦЕРН.

Это захватывающий материал. Причина, по которой команда так неустанно преследовала этот очень специфический тип канала распада на протяжении более десяти лет, заключается в том, что это так называемый «золотой» канал, то есть он не только невероятно редок, но и хорошо предсказан сложной математикой. составляет Стандартную модель физики.

Эта редкость и точность делают его высокочувствительным датчиком для обнаружения новой физики. Однако только собрав невероятное количество данных, охватывающих бесчисленные столкновения частиц, команда смогла подтвердить точность своего открытия в соответствии со знаменитым стандартом статистической достоверности «пять сигм».

«Этот сложный анализ представляет собой результат отличной командной работы, и я чрезвычайно горжусь этим новым результатом», — говорит Лаццерони.

Каоны состоят из комбинации кварка и другой кварковой античастицы, связанных сильным взаимодействием, которые быстро распадаются в довольно уникальную моду физики называют «странной». Эта странная характеристика сделала их удобным инструментом для определения правил поведения частиц в целом.

Производство каонов не представляет особой сложности, если у вас есть подходящее оборудование. Используя суперпротонный синхротрон в ЦЕРНе, исследователи запускают луч протонов высокой энергии в неподвижную бериллиевую мишень. Это создает вторичный пучок примерно с миллиардом частиц в секунду, около 6 процентов из которых представляют собой своего рода заряженные каоны.

Каоны не имеют длительного срока службы; они формируются и распадаются за стомиллионную долю секунды. Таким образом, во вторичном пучке распад каона происходит постоянно, обычно превращаясь в сверхтяжелого родственника электрона, называемого мюоном, и нейтрино.

Однако примерно 13 из каждых 100 миллиардов каонов распадаются. , в результате получается антинейтрино, нейтрино и нестабильная частица, состоящая из другого сорта кварка и антикварка, называемого пионом.

«Каоны и пионы — это частицы, содержащие кварки. Тот факт, что кварки имеют разные Типы (верхний, нижний, странный, очарование, красота, верх) называется ароматом», — рассказал Лазерино журналу ScienceAlert.

«Редкость этого распада связана с тем фактом, что в нем присутствует изменение аромата кварка, опосредованное Z-бозоном и приводящее к образованию пиона и нейтрино. Это может произойти только в результате довольно сложного процесса, поэтому его редкость».

Объем распада каона, необходимый для наблюдения этого процесса, равен. астрономический, но на этом проблемы не заканчиваются. Нейтрино, как известно, трудно обнаружить и так, и они почти мгновенно аннигилируют вместе со своим партнером-антинейтрино; в эксперименте NA62 исследователи не предпринимают никаких попыток обнаружить пару нейтрино и антинейтрино.

Это всего лишь заряженный пион, или «пи+», иголка среди огромного стога сена из других заряженных каонов ( K+) распадается.

«Все остальные распады K+, которые мы хотим отбросить, называются фоновыми и содержат обнаруживаемые частицы. Задача состоит в том, чтобы обнаружить все из них и всегда, так чтобы когда мы видим от K+ до pi+ и ничего больше, мы уверены, что ничего не потеряли, и это действительно сигнал», — объяснил Лаззерино.

Вот почему, когда команда еще в прошлом году объявила о своем первом наборе результатов, В 2019 году они не достигли уровня статистической уверенности в пять сигм, на котором они обнаружили. Теперь они достигли этого порога.

Теперь, когда канал распада установлен, исследователи могут перейти к поиску любых отклонений, которые могут указывать на новую физику. Число распадов каонов на пионы и нейтрино/антинейтрино, которые наблюдала команда, превышает 8,4 на 100 миллиардов, предсказанных Стандартной моделью, но все еще находится в пределах параметров неопределенности.

Чтобы найти новую физику, необходимо будет наблюдать более высокое отклонение в количестве распадов.

«Стандартная модель до сих пор очень хорошо предсказывала наблюдения, но мы знаем, что у нее должны быть недостатки. Например, она не включает модель темной материи, а дисбаланс материи-антиматерии на порядки слишком мал по сравнению с тем, что необходимо для представления Вселенной. В общем, мы ожидаем появления новой физики, что именно, неизвестно. ожидаем присутствия новых частиц (и сил), — сказал Лаззерони.

— NA62 уже накопила больше данных и будет продолжать работать еще три года. Имея всю совокупность данных, мы сможем установить. с некоторой точностью, если это соответствует Стандартной модели».

Как чудесно.

Команда представила свои результаты на семинаре ЦЕРН.