Bozon W: Akcelerator cząstek wskazuje na „nowy mechanizm dla natury” | wiedzieć

Jeden z największych akceleratorów cząstek na planecie daje dziś niepokojące wyniki: masa bozonu W – fundamentalnej cząstki ważnej dla naszego zrozumienia materii i wszechświata – nie jest taka, jak powinna być.

Jeśli te odkrycia się potwierdzą, „musi to być spowodowane tym, że w przyrodzie istnieje nowy mechanizm, o którym nic nie wiemy” – wyjaśnia Ashutosh Kotwal, badacz z Duke University (USA) i kierownik badań. Dodaje, że ten mechanizm „może objawiać się w postaci cząstki lub interakcji wewnątrz jądra atomowego, które możemy odkryć w przyszłych eksperymentach”. Setki naukowców z 12 krajów wzięło udział w pracach, które tworzą współpracę w ramach eksperymentu CDF II w akceleratorze cząstek Tevatron w Stanach Zjednoczonych.

Aby zrozumieć znaczenie tego wyniku, musimy zwrócić się do kwantowego poziomu materii: przeniknąć przez mikroskopijne atomy, z których składa się każda z liter w tym tekście, i dotrzeć do ich najprostszego składnika, cząstek elementarnych. Wszystkie rzeczy, które ludzie mogą zobaczyć i dotknąć, składają się z różnych grup 17 cząstek elementarnych, które są pogrupowane w trzy duże grupy: kwarki, leptony i bozony. Jeśli złożymy razem trzy kwarki, otrzymamy proton, a jeśli dodamy lepton, otrzymamy najprostszy pierwiastek we wszechświecie, którym jest wodór. Uran, jeden z najbardziej złożonych, zawiera ponad 700 kwarków różnych typów i 92 leptony.

W latach 70. opracowano Model Standardowy, który określa właściwości tych 17 elementów układanki, przez które powstają atomy wszystkich znanych pierwiastków. Zgodnie z tym modelem kwarki i leptony tworzą materię, a bozony przenoszą znane siły, takie jak elektromagnetyzm. Od dziesięcioleci ludzie budują coraz potężniejsze akceleratory cząstek, aby rozdzielać atomy na różne cząstki elementarne i sprawdzać, czy przestrzegają tych reguł gry. Opublikowane dzisiaj wyniki pokazują, że co najmniej jeden z tych 17 egzemplarzy nie jest zgodny z przepisami.

W latach 2002-2011 Tevatron strzelał protonami do swojego odpowiednika antymaterii, antyprotonów. Cząstki te poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, a zderzając się, rozpadają się na inne cząstki elementarne. Po przeanalizowaniu ponad czterech milionów watów bozonów, amerykańscy urzędnicy eksperymentu stwierdzili, że ich masy wynoszą 80 433 megaelektronowoltów, podczas gdy Model Standardowy przewidział 80 357 bozonów, z marginesem błędu w obu pomiarach. Różnica, około siedmiuset, wykracza poza ramy teoretyczne.

Są tylko trzy szanse na bilion, że taki wynik jest przypadkowy. W języku fizyków nazywa się to sigma sigma. W fizyce cząstek elementarnych wykrywanie jest akceptowane z błędem na poziomie pięciu sigma, czyli mniej więcej jedna szansa niepowodzenia na milion.

„Ten nowy pomiar masy W jest najdokładniejszym i najpełniejszym wykonanym do tej pory. To niesamowite wyniki.” Alberto Ruizpracownik naukowy Instytutu Fizyki w Kantabrii i jeden z Autorzy badańopublikowane w wiedzieć.

Jak dotąd Model Standardowy doskonale opisywał zachowanie materii konwencjonalnej. Problem w tym, że ten rodzaj materii stanowi tylko 5% wszechświata. reszta wszechświata Ciemna materia (27%) i ciemna energia (68%) są zupełnie nieznane. Wyniki te mogą być pierwszymi przebłyskami „nowej fizyki”: nieznanych cząstek, które pomagają wyjaśnić te wielkie tajemnice wszechświata

Do tej pory eksperymenty w dwóch akceleratorach cząstek w europejskim laboratorium fizyki cząstek elementarnych CERN dały wartości zgodne z teorią. Ale w zeszłym roku kolejny eksperyment Tevatron odkrył sprzeczności. w zachowaniu mionowymKolejna podstawowa cząstka.

Tevatron przestał działać w 2011 roku. Teraz musimy poczekać, aż LHC przeanalizuje zgromadzone dane i potwierdzi lub zaprzeczy, że ten bozon nie jest dokładnie tym, czym powinien być. Ten proces może zająć nawet rok analizy, mówi Ruiz.

„Jest to największa rozbieżność, jaka została opisana między wynikami teoretycznymi a eksperymentalnymi, jeśli weźmiemy pod uwagę poziom niezawodności, który wynosi siedem sigma” – przyznaje Sven Heinemeier, naukowiec z madryckiego Instytutu Fizyki Teoretycznej. Heinemeyer jest fizykiem teoretykiem odpowiedzialnym za badanie prawdziwej masy bozonu W i proponowanie nowych teorii, aby ją dopasować. „Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że istnieje supersymetria, co oznacza, że ​​istnieją znane cząstki, które mają nieznane asymetryczne siostry” – mówi. Wśród tych cząstek są te, które tworzą ciemną materię. Heinemeier dodaje: „Najbardziej interesującą rzeczą jest to, że nowe supersymetryczne cząstki nie będą miały dużej masy, więc LHC może je wykryć. To bardzo zaskakujące”.

Mario Martinez, badacz z Instytutu Fizyki Wysokich Energii w Barcelonie, od lat pracuje w Tevatronie, a teraz uczestniczy w eksperymencie LHC Atlas, z których jeden musi teraz potwierdzić lub obalić te odkrycia. „To bardzo ważna procedura, która wymaga dużej precyzji, dlatego opublikowanie jej zajęło ponad 10 lat” – przyznaje. „W tej chwili zalecam ostrożność. Poprzednie pomiary zgadzały się z teorią, więc może być jakiś błąd w kalibracji amerykańskiego instrumentu i będziemy musieli poczekać na potwierdzenie z LHC” – zaznacza.

Pewne jest już, że te odkrycia otwierają nową drogę do działania, ostrzega Ruiz. „Po odkryciu Higgsów pole zostało nieco sparaliżowane, a to ożywiające badania mające na celu wyjaśnienie zjawisk, których nie znamy”.

Możesz śledzić Rzecz Na FacebookA Świergot A Instagramlub zarejestruj się tutaj, aby otrzymać Nasz cotygodniowy biuletyn.