A CMS együttműködésében dolgozó tudósok beszámoltak egy ismeretlen részecske valószínű felfedezéséről, amely 28 GeV össztömegű muonokra bomlik. Jelenleg egyetlen elméleti modell sem jósolja meg a részecske létezését, de a tudósok azt remélik, hogy ez a rendellenesség nem statisztikai hiba eredménye. A megfigyelés előzetes nyomtatása elérhető az arXiv.org lerakatban. Részletesen elmondjuk neked a tanulmányt, amely kiderülhet, hogy egy áttöréses felfedezés és egy újabb puff.
Helely tekercs
A Compact Muon mágnesszelep, vagy a CMS (Compact Muon mágnesszelep) nagy elemi részecskedetektor, amely a Hadron ütközőn (LHC) található. Ezt a 15 méter átmérőjű és 15 ezer tonnás súlyú óriás eszközt az új fizika - a szokásos modellt meghaladó fizika - keresésére tervezték. Ha a standard modell leírja az összes ismert elemi részecske tulajdonságait (és néhányat még nem erősítettek meg), akkor az új fizika keretein belül a hipotézisek megpróbálják megmagyarázni különféle jelenségeket, amelyek továbbra is rejtélyek maradnak a tudósok számára.
Az egyik hipotézis szerint - szuperszimmetria - minden ismert elemi részecske megfelel egy nehezebb tömegű szuperpartnernek. Például az elektron partnerje, amely a fermion, a szelektron-boszon, a gluon (amely a boszon) partnere pedig a gluino-fermion. A szimmetrikus adatok megerősítésének hiánya azonban vezette azt a tényt, hogy egyre több tudós hagyta el ezt a modellt.
A proton-proton ütközések az detektor belsejében zajlanak. Mindegyik proton három kvarkból áll, amelyeket a gluonmező tart össze. A fénysebességgel összehasonlítható nagy sebességgel a gluon mező részecskék „levévé” - gluonokká alakul. A protonok fej nélküli ütközése során csak néhány kvark vagy gluon kölcsönhatásba lép egymással, a többi részecske akadály nélkül repül. A reakciók során sok rövid élettartamú részecske képződik, és a különféle CMS-detektorok feljegyzik bomlástermékeiket, beleértve a muonokat is. A muonok hasonlítanak az elektronokhoz, de 200-szor nagyobbak.
A mágnesszelepen kívüli detektorok segítségével a tudósok nagy pontossággal követhetik el a muonok pályáját, és meghatározhatják, hogy mi okozta pontosan egy adott részecske megjelenését. Nagyon sok proton-proton ütközés szükséges a ritka részecskék előállításának esélyének növelése érdekében, amelyek szétszóródnak muonokká. Ezzel csillagászati adatmennyiséget generál (kb. 40 terabyte másodpercenként), és annak érdekében, hogy gyorsan valami szokatlanat találjanak benne, egy speciális trigger rendszert használnak, amely eldönti, hogy mely információkat rögzíti.
Promóciós videó:
A szellem belsejében
A CMS-t az ATH detektorral együtt, amely szintén az LHC-n található, használták a standard modell által előrejelzett Higgs-bozon keresésére. Ez a részecske felelős a W- és Z-bozonok (a gyenge kölcsönhatás hordozói) tömegéért, valamint a foton és gluon tömegének hiányáért. 2012-ben felfedezték a 125 GeV tömegű Higgs-bozonot. A tudósok azonban úgy vélik, hogy lehetnek más alacsonyabb tömegű Higgs-bozonok is a standard modelln kívül. Előrejelzésüket a kétdulatos Higgs-modell és az NMSSM (legközelebb a minimálishoz szuperszimmetrikus standard modell) várja. Az összes kísérleti vizsgálat ellenére a tudósok még mindig nem voltak képesek bizonyítani vagy megcáfolni ezeket a hipotéziseket.
A CMS tudósai más könnyű egzotikus részecskéket keresnek. Ide tartoznak például a sötét fotonok - egy teljesen új alapvető kölcsönhatás hordozói, amelyek emlékeztetnek az elektromágnesesre, és amelyek analógok a sötét anyag fotonjaival. Egy másik hipotetikus részecske a Z-bozon sötét analógja.
A fizikusok kísérletet végeztek annak érdekében, hogy bizonyítékot találjanak egy könnyű bozon létezésére, amelyet szép kvarkok (b-kvarkok) bocsátanak ki, és müonra és anti-muonra bomlik. A proton-proton ütközések során a tömegközéppontban (egy olyan rendszerben, ahol a részecskék egyenlő és ellenkező irányba mutatnak) 8 TeV-val egyenértékű kísérlet során számos eseményt rögzítettek, amelyek valószínűleg egy hipotetikus bozonhoz kapcsolódnak.
Az első típusú események közé tartozik a b-kvarkok sugárhajtásának megjelenése az érzékelő közepén és annak elülső részében, a második - két fúvóka megjelenése a központban, és nem egyetlen fúvóka megjelenése az elülső részben. Mindkét esetben megfigyelték a feltörekvő muonpárok többletét, és a párok tömege, amint azt a későbbi elemzés is mutatja, elérte a 28 GeV-t. Az első típusú események háttér-értékétől való eltérés a muonpárok számában 4,2 szórás (szigma), a második típusú események esetén pedig 2,9 szigma.
A fizika halála
A részecskefizikában egy öt szigma különbség egy olyan rendellenesség létezését jelzi, amely véletlenszerűen nem merült fel. Ha azonban a különbség a 3-5 szigma tartományban van, akkor a fizikusok szerint ez csak egy új részecske létezését jelzi. Az utóbbi esetben sokkal több adatot kell beszerezni az eredmény megerősítésére (vagy megcáfolására), hogy kizárjuk az adatfeldolgozási és értelmezési hibákat. Ha minden megerősítést nyer, akkor azt mondhatjuk, hogy a muonok az Új Fizika egy részecskéjének bomlása miatt merülnek fel.
Ez nem az első alkalom, hogy olyan jelenséget figyeltek meg az LHC-n, amely nem illeszkedik a standard modellbe. 2016-ban a fizikusok bejelentették egy hatalmas, rövid életű részecskének megfelelő rezonancia jeleinek felfedezését. 2015-ben regisztrálták mint 750 GeV teljes tömegű fotonpárok többletét, amelybe állítólag ez a részecske bomlik. Más szavakkal, ennek a részecskének hatszor tömegesebbnek kellett volna lennie, mint a Higgs-bozonon. A későbbiekben az összeütközőn gyűjtött adatok elemzése nem erősítette meg ezt az eredményt.
Eddig a fizikusok nem találtak megbízható nyomokat az új fizika létezéséről. Kétségtelen azonban, hogy léteznie kell, mivel a standard modell nem tudja megmagyarázni az ilyen jelenségeket, például a fermionmasszák hierarchiájának problémáját (hipotetikus Goldstone-bozonot vezetünk be annak megoldására), a tömeg meglétét a neutrinókban, az anyag és az antitest anyag aszimmetriáját, a sötét energia eredetét és mások. A sötét anyag jelenléte az Univerzumban egy hipotetikus részecskék egész osztályát feltételezi, amelyek egzotikus tulajdonságokkal képezik azt. Paradox módon a tudósok mindeddig csak a kimerült standard modell kísérleti megerősítését tudták megtenni.
Egyes tudósok szerint ha lehetséges az új fizika bebizonyítása, akkor ezt a közeljövőben, a következő években kell megtenni. Ellenkező esetben komolyan kell attól tartani, hogy az emberiség már nem lesz képes jelentős felfedezésekre. Bátorító, hogy az utóbbi időben egyre több rendellenességet találtak a gyorsítókon, utalva arra, hogy a tudósok valami teljesen új küszöbén állnak.
Alexander Enikeev
