۱ در ۱۰ میلیارد: کشف بزرگ CERN در تجزیه کاون جرقه‌ای برای فیزیک جدید
محققان در CERN یک رویداد تجزیه ذره‌ای بسیار نادر را مشاهده کرده‌اند که می‌تواند راه را برای کشف فیزیک جدید فراتر از درک فعلی از ذرات بنیادی و تعاملات آنها باز کند.
این تجزیه به شدت نادر است—طبق مدل استاندارد (SM) فیزیک ذرات که تعاملات ذرات را توصیف می‌کند، کمتر از یک در هر ۱۰ میلیارد کاون به این تجزیه خاص دچار می‌شود.
آزمایش NA62 برای تشخیص و مطالعه این فرآیند تجزیه نادر کاون طراحی و بهینه‌سازی شده است.
کریستینا لازرونی، استاد فیزیک ذرات در دانشگاه بیرمنگام، به Interesting Engineering (IE) گفت: „این تجزیه خاص به طور دقیق در مدل استاندارد پیش‌بینی شده است و حساس به انواع مدل‌های نظری مختلف است که وجود فیزیک جدید فراتر از SM را پیش‌بینی می‌کنند. بنابراین، اگر ما انحرافی از SM اندازه‌گیری کنیم، نشانه‌ای واضح از فیزیک جدید است.“
مطالعه تجزیه کاون
کاون‌ها هنگامی که یک پرتو پروتون با شدت بالا از سیسنکروترون پروتون فوق‌العاده (SPS) CERN با یک هدف ثابت برخورد می‌کند، تولید می‌شوند و جریان ذرات ثانویه‌ای ایجاد می‌کنند.
تقریباً یک میلیارد ذره در ثانیه به دتکتور NA62 هدایت می‌شوند که حدود ۶ درصد آنها کاون‌های باردار هستند. دتکتور هر کاون را به دقت شناسایی کرده و محصولات تجزیه آن را اندازه‌گیری می‌کند، به استثنای نوترینوها که به صورت انرژی گمشده در داده‌ها ظاهر می‌شوند.
لازرونی به IE می‌گوید: „ کاون‌ها و پیون‌ها ذراتی هستند که کوارک دارند. این که کوارک‌ها از نوع‌های مختلف (بالا، پایین، شگفت، جذاب، زیبایی، بالا) هستند، طعم نامیده می‌شود.“
„نادر بودن این تجزیه به این دلیل است که در آن، یک تغییر در طعم کوارک وجود دارد که توسط بوزون Z واسطه شده و یک پیون و نوترینوها تولید می‌کند. این فقط با یک فرآیند پیچیده می‌تواند رخ دهد، از این رو نادر بودن آن است.“
„از نظر تجربی، NA62 کاون باردار، پیون باردار را تشخیص می‌دهد اما دو نوترینو را تشخیص نمی‌دهد. بنابراین، به نوعی “یک ذره در، یک ذره بیرون و هیچ چیز دیگر” امضای سیگنالی است.“
„ایده این است که K+ و pi+ را اندازه‌گیری کنیم و مطمئن شویم که هیچ چیز دیگری گم یا نادیده گرفته نشود. هر نوع حالت دیگر تجزیه K+ با ذرات گمشده یا نادیده گرفته شده می‌تواند نوعی رویداد نادرست باشد، چیزی که ما آن را «زمینه» می‌نامیم. بنابراین NA62 تلاش بزرگی برای رد کردن هر چیزی که شبیه سیگنال نیست (به جز نوترینوها) در دتکتور انجام می‌دهد.“
انحرافات از مدل استاندارد
نرخ تجزیه کاون‌ها به یک پیون و دو
نوترینو
تقریباً ۱۳ مورد در هر ۱۰۰ میلیارد کاون اندازه‌گیری شده است. در حالی که این با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد (SM) هم‌خوانی دارد، حدود ۵۰ درصد بیشتر از انتظار است.
این اختلاف می‌تواند بیانگر تأثیر ذرات ناشناخته‌ای باشد که احتمال این تجزیه را افزایش می‌دهند. با این حال، داده‌های بیشتری برای تأیید این فرضیه نیاز است.
لازرونی در مورد این نتیجه می‌گوید: „در حال حاضر، اندازه‌گیری NA62 همچنان با SM (حدود ۲سیگما) سازگار است.“
„با این حال، ارزش تجربی ۵۰ درصد بالاتر می‌تواند نشانه‌ای از حضور فیزیک جدید باشد. هنوز برای گفتن اینکه کدام مدل خاص این اختلاف را اشاره می‌کند، زود است. به طور کلی، این ممکن است به وجود واسطه‌های جدید (برخی از موارد ممکن شامل Z’ یا لپتوکوارک‌ها) اشاره کند.“
آزمایش NA62 به طور فعال در حال جمع‌آوری داده‌های بیشتری است و محققان امیدوارند در سال‌های آینده تأیید یا نفی امکان تأثیر فیزیک جدید در این تجزیه را انجام دهند.
یافته‌ها در یک
سمینار EP CERN
ارائه شدند.
