Η ανωμαλία του «Penguin» υποδηλώνει σωματίδια που λείπουν
Μια ανωμαλία σε σχήμα πιγκουίνου που εντοπίστηκε για πρώτη φορά πριν από δύο χρόνια έχει επιβιώσει από μια ολοκληρωμένη νέα ανάλυση δεδομένων από την πρώτη εκτέλεση του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, αποκάλυψαν σήμερα οι επιστήμονες σε μια συνάντηση στο La Thuile της Ιταλίας.
Η ανωμαλία, μια απροσδόκητη μέτρηση σπάνιων διασπάσεων σωματιδίων που ονομάζονται «διεργασίες πιγκουίνων», δεν είναι στατιστικά αρκετά σημαντική για να αποτελέσει ανακάλυψη, αλλά εάν το σήμα ενισχυθεί στην επερχόμενη δεύτερη εκτέλεση του LHC, θα συνεπάγεται την ύπαρξη νέων στοιχειωδών σωματιδίων πέρα από αυτά. του Καθιερωμένου Μοντέλου — οι ακριβείς αλλά ημιτελείς εξισώσεις που διέπουν τη σωματιδιακή φυσική για 40 χρόνια.
«Αυτό που βρίσκουμε είναι ότι αυτή η ανωμαλία έχει επιμείνει», δήλωσε ο Guy Wilkinson, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και εκπρόσωπος της συνεργασίας LHCb, η οποία εντόπισε για πρώτη φορά τη στατιστική πρόσκρουση στις αποσυνθέσεις των πιγκουίνων το 2013. «Αυτό είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον».
Το εύρημα έρχεται καθώς το LHC επιστρέφει στη ζωή μετά από μια αναβάθμιση δύο ετών που σχεδόν θα διπλασιάσει την προηγούμενη ενέργεια λειτουργίας του. Οι ελπίδες χιλιάδων σωματιδιακών φυσικών καβαλούν τα πρωτόνια που τα επόμενα χρόνια θα συγκρουστούν εκεί, θρυμματίζοντας σε petabyte δεδομένων που μπορεί να φέρουν πολυαναμενόμενες απαντήσεις σε θεμελιώδη ερωτήματα για τη φύση, και η ανωμαλία των πιγκουίνων είναι ένας λόγος αισιοδοξίας. /P>
Τα περισσότερα απροσδόκητα χτυπήματα στα δεδομένα εξαφανίζονται καθώς συσσωρεύονται περισσότερα δεδομένα, ακριβώς όπως μπορεί να λάβετε επτά κεφαλές στις πρώτες 10 πετάξεις νομισμάτων σας μόνο για να καταλήξετε σε αναλογία 50-50 μετά από πολλές περισσότερες εκτοξεύσεις. Αλλά αφού τριπλασίασαν το αρχικό τους μέγεθος δείγματος και ανέλυσαν περίπου 2.400 από τις σπάνιες αποσυνθέσεις πιγκουίνων, οι επιστήμονες του LHCb λένε ότι η ανωμαλία δεν έχει μειωθεί. Αντίθετα, έχει παραμείνει σε μια εκτιμώμενη στατιστική σημασία «3,7 σίγμα», που σημαίνει ότι είναι εξίσου απίθανο μια τόσο μεγάλη διακύμανση να συμβεί τυχαία όσο θα ήταν να ληφθούν 69 κεφάλια σε 100 πετάξεις νομισμάτων. Οι φυσικοί απαιτούν μια απόκλιση 5 σίγμα από τις προσδοκίες τους, που ισοδυναμεί με στροφή 75 κεφαλών σε 100 ρίψεις (οι πιθανότητες των οποίων είναι μικρότερες από μία στο εκατομμύριο), για να διεκδικήσουν την ανακάλυψη ενός πραγματικού αποτελέσματος.
"Για να το καταφέρουμε πραγματικά, θα χρειαστούμε πρόσθετα δεδομένα που θα συλλέξουμε στην επόμενη έκδοση του LHC" που ξεκινά τον Μάιο, είπε ο Wilkinson.
Με πολύτιμους άλλους πελάτες, η ανωμαλία των πιγκουίνων έχει δελεάσει τους θεωρητικούς από τότε που το ανέφερε για πρώτη φορά το LHCb. Το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο σύμπαν - τα σωματίδια που συνθέτουν τη "σκοτεινή ύλη" - λείπει εντελώς από το Καθιερωμένο Μοντέλο, και αυτό που περιλαμβάνεται φαίνεται αποσπασματικό και υποδηλώνει ένα μεγαλύτερο σχέδιο. Οι φυσικοί κατασκεύασαν την πιο ισχυρή μηχανή στην ιστορία για να αναζητήσουν σημάδια αυτών των πιο ολοκληρωμένων νόμων της φύσης. Αλλά σχεδόν τα πάντα σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο τα σωματίδια μετατοπίστηκαν και θρυμματίστηκαν κατά τη διάρκεια του πρώτου γύρου συγκρούσεων στο LHC ταίριαζαν ακριβώς με τις προβλέψεις του Standard Model. Στην ανωμαλία των πιγκουίνων 3,7 σίγμα - καθώς και σε μια άλλη απόκλιση 2,6 σίγμα που η ομάδα εντόπισε σε μια διαφορετική διαδικασία πιγκουίνων - ορισμένοι φυσικοί των σωματιδίων βλέπουν ένα ίχνος ελπίδας ότι νέες ανακαλύψεις βρίσκονται στη γωνία.
«Κυνηγάμε ένα φανταστικό ασθενοφόρο», είπε ο Sheldon Glashow, βραβευμένος με Νόμπελ θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, συζητώντας τις ανωμαλίες του LHCb την περασμένη εβδομάδα προτού αυτός και οι περισσότεροι άλλοι ειδικοί μάθουν τα αποτελέσματα της νέας ανάλυσης. "Θα μπορούσε να είναι πολύ σημαντικό, και επίσης θα μπορούσε να μην είναι τίποτα."
Οι διασπάσεις των πιγκουίνων ονομάστηκαν έτσι από τον φυσικό John Ellis το 1977. Όταν μια ήττα στα βελάκια τον ανάγκασε να χρησιμοποιήσει τη λέξη «πιγκουίνος» στην επόμενη ακαδημαϊκή του εργασία, παρατήρησε ότι τα διαγράμματα των φθορών που συζητήθηκαν στην εργασία έτυχε να μοιάζουν με τα πουλιά που δεν πετούσαν. Οι διασπάσεις είναι ενδιαφέρουσες ακριβώς επειδή είναι ευαίσθητες στις επιδράσεις άγνωστων σωματιδίων. Κατά τη διάρκεια μιας αποσύνθεσης πιγκουίνου, ένας τύπος κουάρκ μεταμορφώνεται σε άλλο, δίνοντας στιγμιαία αφορμή για φανταστικά εικονικά σωματίδια στην πορεία. Πριν εξαφανιστούν, τα εικονικά σωματίδια — που μπορεί να είναι φωτόνια, μποζόνια Ζ ή άλλοι, άγνωστοι συμμετέχοντες που δεν αποτελούν μέρος του Καθιερωμένου Μοντέλου — ενδέχεται να εκπέμπουν ένα ζεύγος λεπτονίου-αντιλεπτονίου. (Ένα λεπτόνιο είναι μια κατηγορία σωματιδίων που περιλαμβάνει ηλεκτρόνια.) Εάν κάποιο σωματίδιο που δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη παίζει όντως έναν απόκοσμο ρόλο στη διάσπαση των πιγκουίνων, θα εκτοξεύσει λεπτόνια με απροσδόκητους συνδυασμούς ενεργειών και κατευθύνσεων, παραμορφώνοντας τις μετρήσεις. Σίγουρα, οι επιστήμονες του LHCb μέτρησαν μια απόκλιση 3,7 σίγμα με το Καθιερωμένο μοντέλο σε συνδυασμένες ενέργειες και κατευθύνσεις ορισμένων εξερχόμενων σωματιδίων.
Στη σχετική ανωμαλία 2,6 σίγμα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι οι διεργασίες των πιγκουίνων παρήγαγαν περισσότερα λεπτόνια από άλλα, παραβιάζοντας έναν κανόνα Καθιερωμένου Μοντέλου που ονομάζεται «καθολικότητα λεπτονίων».
Οι ερευνητές λένε ότι οι δύο ανωμαλίες έχουν ενισχύσει την αντιληπτή σημασία του άλλου, επειδή ένα μόνο υποθετικό σωματίδιο θα μπορούσε να εξηγήσει και τα δύο. Έχουν προταθεί υποψήφιοι για αυτόν τον μυστήριο συμμετέχοντα στις διεργασίες των πιγκουίνων, συμπεριλαμβανομένου του υποθετικού μποζονίου Ζ και του λεπτοκουάρκ. Οι δύο δυνατότητες υποδεικνύουν πληρέστερα πλαίσια για την κατανόηση των κουάρκ και των λεπτονίων, γεγονός που μπορεί να εξηγήσει γιατί υπάρχουν έξι «γεύσεις» από το καθένα — πληροφορίες που δεν παρέχονται στο Καθιερωμένο Μοντέλο. «Δεν ξέρουμε τι είναι η γεύση», είπε ο Javier Virto, ένας θεωρητικός σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Siegen στη Γερμανία. «Αν μπορούμε να μάθουμε αν η νέα φυσική είναι αυτό ή εκείνο, τότε μάλλον μπορούμε να προσπαθήσουμε να βρούμε την απάντηση.»
Αλλά τα μοντέλα των μποζονίων Z και των λεπτοκουάρκ αγωνίζονται να δουλέψουν γύρω από τη φαινομενική μη συμμετοχή των σωματιδίων σε άλλες, σχετικές διασπάσεις, οι οποίες δείχνουν ελάχιστα στοιχεία αποκλίσεων από το Καθιερωμένο Μοντέλο. «Δεν υπάρχει κανένα επιτακτικό πλαίσιο στο οποίο όλα τα δεδομένα ταιριάζουν καλά», είπε ο Adam Falkowski, θεωρητικός φυσικός στο Εργαστήριο Θεωρητικής Φυσικής στο Orsay της Γαλλίας.
Όταν ο LHC ξαναρχίσει να συνδυάζει σωματίδια μεταξύ τους τον Μάιο, οι επιστήμονες του LHCb θα συνεχίσουν να παρακολουθούν τις διασπάσεις των πιγκουίνων με την ελπίδα ότι οι ανωμαλίες στα δεδομένα θα ανέλθουν σε βεβαιότητα 5 σίγμα, υποδηλώνοντας μια έμμεση ανακάλυψη «νέας φυσικής». Εν τω μεταξύ, οι δύο μεγαλύτερες επιστημονικές συνεργασίες στον LHC, γνωστές ως ATLAS και CMS, θα αναζητήσουν απευθείας τα νέα σωματίδια που μπορεί να ευθύνονται για τις ανωμαλίες των πιγκουίνων — εάν οι ανωμαλίες είναι πραγματικές.
Οι ανωμαλίες θα μπορούσαν να συμβαδίσουν με τόσες άλλες που ανιχνεύθηκαν σε πειράματα υψηλής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που μετρήθηκαν με LHCb τα τελευταία χρόνια, και ίσες καθώς συσσωρεύονται περισσότερα δεδομένα. «Το LHCb έχει ραγίσει την καρδιά μου τόσες πολλές φορές», είπε ο Nima Arkani-Hamed, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέιερ
Χωρίς άμεσα σχέδια για την κατασκευή ενός μεγαλύτερου, πιο ισχυρού επιταχυντή σωματιδίων και χωρίς σκληρά δεδομένα 5 σίγμα πάνω στα οποία να χτίσουν θεωρίες, οι φυσικοί των σωματιδίων αναζητούν απελπισμένα κάτι που θα εμφανιστεί κατά την επόμενη εκτέλεση του LHC. Μερικοί βασίζονται στα λεπτοκουάρκ, ενώ άλλοι έχουν ελπίδες για σωματίδια που προβλέπονται από μια θεωρία που ονομάζεται «υπερσυμμετρία», η οποία θα μπορούσε να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη και να εξηγήσει τις μάζες των σωματιδίων στο Καθιερωμένο Μοντέλο. Άλλοι πάλι ειδικοί αναμένουν να βρουν ξαδέρφια του μποζονίου Higgs, του τελευταίου σωματιδίου που λείπει από το Καθιερωμένο Μοντέλο, το οποίο ανακαλύφθηκε το 2012.
«Έχω αυτό το συναίσθημα τώρα ή ποτέ», είπε ο Falkowski. "Προσωπικά, υπολογίζω περισσότερο σε πρόσθετα [σωματίδια] που μοιάζουν με Higgs για να εμφανιστούν, αλλά θα πάρω ό,τι προσφέρεται."
Διόρθωση στις 23 Μαρτίου 2015:Το αρχικό άρθρο έγραφε λάθος "Siegen" ως "Seigen".
