Jerzy Michał Pawlak: Wieści z LHC

2012-11-20. Fizycy cząstek elementarnych z całego świata spotkali się w ubiegłym tygodniu w Kioto na konferencji pod nazwą Hadron Collider Physics, w skrócie HCP. Najbardziej wyczekiwanym punktem programu były prezentacje najnowszych wyników z eksperymentów przy LHC. Wyniki były, ale nie takie jak się spodziewano. Czy może ściślej: wyniki są takie, jak się spodziewano na podstawie istniejącej teorii, zwanej Modelem Standardowym. Fizycy tymczasem spodziewali się, że znajdzie się w nich coś niespodziewanego.

Teoria, a właściwie zestaw teorii zwany Modelem Standardowym, powstał przed pół wiekiem już i do tej pory doskonale przechodzi wszelkie testy eksperymentalne. Wiadomo jednak, że nie może on być kompletną i ostateczną „teorią wszystkiego”. Z kilku przyczyn: między innymi nie zawiera on grawitacji, nie jest w stanie wyjaśnić natury „ciemnej materii” i „ciemnej energii”, które wydają się wypełniać wszechświat i spektakularnie zawodzi gdy próbujemy w nim wyliczyć masę bozonu Higgsa – wynik wychodzi błędny o kilkanaście rzędów wielkości! I to dla cząstki będącej sztandarowym przewidywaniem teorii i której odkrycie jest zarazem jej wielkim tryumfem.

Z powodu tych wszystkich braków, fizycy teoretycy od kilkudziesięciu lat już próbują wymyślać rozszerzenia Modelu Standardowego, rozwiązujące jego niedostatki. A fizycy doświadczalni poszukują nowych zjawisk i odchyleń od jego przewidywań. Dotychczas wszelkie te próby kończyły się niepowodzeniem, panowało jednak przekonanie, że to z powodu zbyt niskich energii przy których prowadzono pomiary. Wydawało się, że „nowa fizyka” musi się po prostu pojawić w zakresie energii przy którym działa LHC. Toteż fizycy nie ukrywają nawet frustracji spowodowanej zgodnością wyników eksperymentów przy LHC z przewidywaniami, czyli czymś, co w większości innych dziedzin ludzkiej aktywności (polityce, ekonomii, socjologii) byłoby raczej powodem do dumy, nie zmartwienia.

Przejrzyjmy więc kilka najciekawszych wyników zaprezentowanych w Kioto.

Cząstka Higgsa

A właściwie, jak mówią fizycy (w przeciwieństwie do reszty świata) cząstka-która-wygląda-jak-cząstka-Higgsa. Po konferencji wygląda ona jeszcze bardziej jak cząstka Higgsa z Modelu Standardowego. Konkretnie, aby móc z czystym sumieniem nazwać ją cząstką Higgsa fizycy chcieliby znać jej spin i parzystość. Spin jest to „wewnętrzny” moment pędu cząstki elementarnej, w odpowiednim układzie jednostek musi być wielokrotnością liczby ½. Parzystość jest specyficznie kwantową własnością cząstek, nie mającą odpowiednika w fizyce klasycznej. Mówi ona, jak cząstka zachowuje się przy odbiciu w lustrze i może przyjmować dwie wartości: +1 lub −1. Wartość dodatnia oznacza, że przy odbiciu w lustrze cząstka nie zmienia się. Model Standardowy przewiduje dla cząstki Higgsa spin 0 i parzystość dodatnią.

Już po ogłoszeniu odkrycia w lipcu tego roku wiadomo było, z prawa zachowania momentu pędu, że nowa cząstka musi mieć spin wyrażony liczbą całkowitą, przy czym w grę wchodzą tylko wartości zero lub dwa. W Kioto eksperyment CMS pokazał dane, które wprawdzie nie pozwalają na jednoznaczne określenie spinu i parzystości, ale wyraźnie faworyzują wartości zgodne z przewidywaniem Modelu Standardowego.

Na konferencji przedstawiono też nowe pomiary dotyczące rozpadu na leptony τ (tau). W danych zaprezentowanych w lipcu rozpad ten pojawiał się rzadziej, niż przewidywała teoria. Wynik obarczony był jednak dużym błędem statystycznym, wynikającym z małej ilości danych. Oba największe eksperymenty, ATLAS i CMS, przedstawiły wyniki analizy dwukrotnie większej próbki danych, i deficyt rozpadów na leptony tau zmalał. Wszystko wskazuje więc, że był on tylko statystyczną fluktuacją.

Inną widzianą w lipcu niezgodnością z Modelem Standardowym było prawdopodobieństwo rozpadu bozonu Higgsa na dwa fotony, które z kolei wychodziło zbyt wysokie w stosunku do oczekiwań. Także i w tym wypadku różnica mogła być wynikiem fluktuacji statystycznej. Eksperymenty nie przedstawiły jednak w Kioto nowych danych na ten temat, tłumacząc to koniecznością starannego sprawdzenia swoich analiz.

Podsumowując: wygląda coraz bardziej na to, że odkryto cząstkę Higgsa przewidywaną przez Model Standardowy i zachowuje się ona dokładnie tak, jak przewiduje ów Model Standardowy. Steven Weinberg, noblista i jeden z współtwórców tej teorii, nazwał kiedyś taką perspektywę „koszmarnym scenariuszem”. Wygląda więc na to, że oto realizuje się koszmar fizyka-teoretyka: jego przewidywania dokładnie zgadzają się z doświadczeniem.

Mezon Bs

Nowy, ciekawy wynik został na konferencji przedstawiony przez eksperyment LHCb. Dotyczy on rzadkich rozpadów ciężkiego mezonu Bs, ale jego konsekwencje są istotne dla poszukiwania fizyki wykraczającej poza model standardowy.

Mezony są to silnie oddziałujące cząstki (w języku fizyków: hadrony) złożone z kwarku i antykwarku. Wszystkie są nietrwałe i rozpadają się w ułamkach sekund. Mezon Bs składa się z kwarków b i anty-s (lub anty-b i s) jest około pięć i pół raza cięższy od protonu i rozpada się w czasie nieco ponad jednej pikosekundy (jednej bilionowej części sekundy), najczęściej na inne hadrony, wśród których zazwyczaj można znaleźć mezony D.

Obiektem zainteresowania eksperymentatorów był jednak rozpad na dwa leptony μ (miony), ściślej na mion i antymion. Jest on ciekawy, ponieważ w Modelu Standardowym nie może on zachodzić bezpośrednio, jest „zakazany” przez obowiązujące w tej teorii zasady zachowania. Jedyny sposób, w jaki może on zajść, to pośrednio, jak mówią w swym języku fizycy w wyższym rzędzie rachunku zaburzeń. Rolę pośredników pełnią cząstki wirtualne, w wypadku tego rozpadu najczęściej kwark t i bozon W. Ponieważ jednak pojawienie się dwóch tak ciężkich cząstek wirtualnych jest mało prawdopodobne, to i rozpad ten jest niezwykle rzadki. Obliczenia teoretyczne pokazują, że na każdy miliard mezonów Bs średnio nieco ponad trzy powinny się rozpaść w ten sposób.

W tym miejscu wielu czytelników zapyta zapewne co kogo obchodzi tak bardzo rzadki rozpad cząstki, która sama jest tak rzadka, że w naturze praktycznie nie występuje. Otóż jest on interesujący, ponieważ jest bardzo czułym wskaźnikiem odchyleń od Modelu Standardowego. Wiele proponowanych jego rozszerzeń, z hipotezą supersymetrii na czele, przewiduje istnienie nowych cząstek, które również mogłyby pełnić rolę pośredników w takim rozpadzie. A to oznaczałoby, że prawdopodobieństwo rozpadu mogłoby być znacząco inne od obliczeń Modelu Standardowego (dziwne własności kwantowego świata powodują przy tym, że dodatkowe możliwości zajścia rozpadu przekładać się mogą zarówno na zwiększenie jak i zmniejszenie tego prawdopodobieństwa).

Zespół LHCb przedstawił pierwszy przypadek zarejestrowania tego rzadkiego rozpadu. Wcześniejsze eksperymenty nie miały szansy jego wykrycia, gdyż nie dysponowały odpowiednio dużą ilością wyjściowych mezonów. W LHCb udało się wyprodukować około miliarda mezonów  i trzy z nich rozpadły się na pary mionów. Znów, dokładnie zgodnie z przewidywaniami Modelu Standardowego. Także i ten wynik jest oczywiście obarczony sporym błędem statystycznym, ale wystarcza już, by wykluczyć praktycznie niektóre wersje modeli supersymetrycznych. Jak to określił jeden z fizyków „supersymetrii kończą się miejsca, gdzie może się ukrywać”.

Nowe cząstki

Część prezentacji na konferencji poświęcona była poszukiwaniom nowych cząstek, przewidywanych przez różne rozszerzenia Modelu Standardowego, albo i zupełnie niespodziewanych. I właściwie ten rozdział może być bardzo krótki: jak dotychczas nie znaleziono niczego. A szukano różnych rzeczy: neutralin, chargin, s-kwarków, dodatkowych bozonów Higgsa, dodatkowych bozonów pośredniczących, ciężkich leptonów… Niczego takiego, jak do tej pory, nie widać. Oczywiście nie oznacza to, że cząstek tych nie ma, mogą istnieć, ale być zbyt ciężkie, albo zbyt słabo oddziaływać ze zwykła materią, by zostać zaobserwowane przy obecnej energii i liczbie zderzeń. Niemniej negatywny wynik przekłada się na określone ograniczenia na możliwe nowe teorie.

Co więc dalej?

LHC nadal zbiera dane i będzie pracował nieprzerwanie do marca przyszłego roku. Eksperymenty będą więc miały więcej danych, co pozwoli na zmniejszenie błędów statystycznych i być może pozwoli znaleźć wreszcie jakąś anomalię, jakiś punkt zaczepienia do budowy szerszej teorii oddziaływań. Potem akcelerator zostanie zatrzymany na około dwa lata, czas ten przeznaczony jest na jego rozbudowę, pozwalającą na osiągnięcie docelowej energii 7 TeV na wiązkę (obecnie LHC pracuje przy energii 4 TeV na wiązkę, czyli 8 TeV w układzie środka masy zderzających się protonów). Zwiększenie energii oznacza możliwość wyprodukowania w zderzeniach jeszcze cięższych cząstek, a więc i większy potencjał odkrycia czegoś nowego.

Jerzy Michał Pawlak

Print Friendly, PDF & Email

Jedna odpowiedź

  1. wirr 2012-11-20
WP Twitter Auto Publish Powered By : XYZScripts.com