Tekenen van een "nieuwe fysica" verschenen in twee grote experimenten. De Tevatron Hadron Collider registreerde deeltjes waar ze niet zouden moeten zijn, en het PAMELA-ruimte-experiment vond sporen van het verval van donkere materiedeeltjes. Beide feiten passen goed in de theorie dat de "duistere kracht" bestaat
Terwijl de Large Hadron Collider (LHC) zich voorbereidt op reparaties na een groot ongeluk in september, heeft de Amerikaanse Tevatron, die de afgelopen maanden als de krachtigste versneller ter wereld heeft overleefd, natuurkundigen voor een onverwachte verrassing gebracht. Eind vorige week publiceerden CDF-medewerkers die aan de gigantische Tevatron-deeltjesdetector met dezelfde naam werkten een voordruk die iets beschrijft dat verder gaat dan het bijna heilige standaardmodel van elementaire deeltjes voor natuurkundigen.
Als dit signaal niet een onverklaarbaar achtergrondeffect blijkt te zijn, zal deze ontdekking het eerste aardse bewijs zijn van de beperkingen van het standaardmodel.
Aards in de zin dat astrofysici al lang donkere materie en donkere energie kennen, die ook niet in het standaardmodel passen. Toegegeven, er is praktisch niets bekend over de eigenschappen van de deeltjes waaruit donkere materie bestaat.
Tevatron en extra muonen
Met de CDF-detector bestuderen natuurkundigen de deeltjes die worden geproduceerd door de botsing van protonen - positief geladen deeltjes waaruit alle atoomkernen bestaan, en antiprotonen - hun negatief geladen antipoden. In de Tevatron-versneller worden, zoals de naam suggereert, deze deeltjes versneld tot energieën van bijna 1 TeV, of 1000 GeV - duizend miljard elektronvolt, en de botsingsenergie is dienovereenkomstig bijna 2000 GeV, wat het mogelijk maakt om een verscheidenheid aan, zelfs zeer zware elementaire deeltjes.
Het is echter niet eens mogelijk om eenvoudig het bestaan van de meeste van de deeltjes van belang vast te stellen. In de regel zijn ze onstabiel en veranderen ze in een fractie van een seconde in verschillende lichtere deeltjes. Het zijn de eigenschappen van de vervalproducten die worden gemeten door de detector, en natuurkundigen proberen dan, in overeenstemming met de bekende metafoor, "de structuur van het uurwerk te herstellen, door de fragmenten van klokwielen te onderzoeken die met bijna lichtsnelheid in botsing kwamen."
Een van de meest populaire "tandwielen" van deze soort is de muon. Qua eigenschappen lijken muonen sterk op gewone elektronen die in een baan om atoomkernen draaien. Muonen zijn echter veel massiever en daarom van bijzondere waarde voor experimentele natuurkundigen. Ten eerste is het moeilijker om ze te 'misleiden' wanneer ze de protonen en elektronen van de detector tegenkomen, en ten tweede worden er bij de botsingen zelf minder van geboren, en is het gemakkelijker om hun sporen in de detector te demonteren dan de verstrengelde banen van talloze elektronen.
Een van de deeltjes die actief is bestudeerd met muonen is het zogenaamde B-meson, dat een zware b-quark (of antiquark) bevat.
En hier leidden muonen lange tijd de onderzoekers bij de neus.
De theorie van de structuur en interactie van quarks - kwantumchromodynamica - stelt je in staat om de waarschijnlijkheid van de productie van B-mesonen en hun deelname aan verschillende interacties te berekenen. Daarom is het mogelijk om het aantal muonen te schatten dat zal worden geboren tijdens het verval van deze deeltjes. Bij het experiment werden echter veel meer muonen geproduceerd dan gepland. Bovendien liet een andere methode om de eigenschappen van B-mesonen te meten resultaten zien die steeds beter overeenkomen met de theorie. De onderzoekers hadden dus steeds minder redenen om theoretici ervan te beschuldigen niet te weten hoe ze moesten tellen (en berekeningen in de kwantumchromodynamica zijn buitengewoon moeilijk).
De reden voor deze discrepanties bleef lange tijd een mysterie, totdat wetenschappers ontdekten dat sommige van de muonen, die natuurkundigen lange tijd gebruikten voor de vervalproducten van B-mesonen, er in feite niets mee te maken hadden. Feit is dat het B-meson zeer kort leeft en, geboren in de botsing van protonen en antiprotonen, erin slaagt om slechts 1-2 mm van de as van de vacuümbuis af te vliegen, waar de botsingen plaatsvinden. Hier vervalt het tot muonen. Toen wetenschappers erachter kwamen waar de muonen die hun detector registreerde, was het probleem van de B-mesonen opgelost: het bleek dat sommige van hen veel verder van de as opstonden, en de bijdrage van deze "extra muonen" aan het eindresultaat verklaarde precies de discrepantie met de theorie.
Maar waar komen die "extra" muonen vandaan?
Sommigen van hen vinden hun oorsprong op 3 mm van de as, op vijf en zeven; sommige bevinden zich volledig buiten de vacuümbuis, die eigenlijk niet in een poort past.
De ontluikende fysieke "sensatie" is verbonden met deze deeltjes. Dit woord, dat zeldzaam is voor eerbiedwaardige wetenschap, typeert in feite de opwinding van theoretici en experimentatoren op de best mogelijke manier. Discussies over de realiteit van de signalen die door de CDF-samenwerking worden gevonden, woeden al op de professionele blogs van natuurkundigen, en op de website van elektronische preprints van Cornell University voor de derde dag op rij, steeds meer theoretische verklaringen voor wat ze zagen verschijnen.
Nieuwe deeltjes?
In principe kan er een grote verscheidenheid aan redenen zijn voor het verschijnen van onnodige, of, zoals natuurkundigen zeggen, 'achtergrond'-deeltjes, en het grootste deel van het artikel van de CDF-samenwerking is gewijd aan de analyse van mogelijke redenen voor het verschijnen van een signaal dat niet aantrekkelijk is voor de' nieuwe fysica 'buiten de standaard modellen. Misschien hebben we geen rekening gehouden met enkele andere deeltjes waaruit muonen worden geboren - bijvoorbeeld kosmische straling, of misschien nemen we andere vervalproducten van deeltjes die in de Tevatron zijn geboren voor muonen? Ten slotte, misschien zijn de signalen in de detector zelf, die we nemen voor sporen van muonen, niet zoiets - ruis, statistische fluctuaties, artefacten van furieuze methoden voor wiskundige verwerking van experimentele resultaten?
Promotie video:
Volgens de auteurs van het laatste werk hebben ze geen "standaard" verklaring kunnen vinden.
Opgemerkt moet worden dat bijna een derde van de samenwerking - ongeveer 200 van de 600 mensen - weigerde hun handtekening te zetten op het artikel, dat al bijna zes maanden een "interne audit" onderging. Door…
Alles ziet eruit alsof ze erin geslaagd zijn tekenen te vinden van het bestaan van een nieuw deeltje dat veel langer leeft dan het B-meson, en het hoort niet thuis in de fysica die we kennen. Wetenschappers onthouden zich echter nog steeds van een dergelijke directe uitspraak: de ervaring van een hele generatie natuurkundigen, keer op keer overtuigd van de toepasbaarheid van het standaardmodel op schijnbaar volkomen onverklaarbare verschijnselen, doet zich gelden. Maar het is onmogelijk om simpelweg bijna 100.000 gebeurtenissen te negeren die zijn geregistreerd door een van de beste instrumenten van de nog steeds krachtigste versneller op aarde.
De eigenschappen van "extra" muonen zijn op zichzelf al verbluffend. Een van de meest opvallende is dat ze heel vaak in "packs" werden geboren - niet één deeltje tegelijk, maar twee, drie, zelfs acht tegelijk. Bovendien vlogen ze in de regel vanaf het punt waarop ze werden geboren niet alle kanten op, maar in ongeveer dezelfde richting - wetenschappers gebruiken zelfs de term "muonjet". En de karakteristieke energie van een nieuw onbekend deeltje - als het echt bestaat - is verschillende GeV. Met andere woorden, de "nieuwe fysica" - als we het echt beginnen te onderscheiden in de muon-mist - begint bij energieën niet in de duizenden GeV, waarop monsters zoals de LHC zijn gericht, maar veel eerder.
En deze eigenschappen benaderen opvallend de resultaten van de aardse versneller met de gegevens die slechts een paar dagen eerder zijn gepubliceerd van de ruimte-antideeltjesdetector PAMELA.
Positronfractie als functie van energie // PAMELA Group, arXiv.org
Resultaten van het PAMELA-experiment Het
internationale onderzoeksvoertuig PAMELA aan boord van de Russische kunstmatige satelliet Resurs-DK1 heeft op betrouwbare wijze een overmaat aan hoogenergetische positronen geregistreerd in een stroom geladen ruimte …
Volgens veel astrofysici komt de overmaat aan hoogenergetische positronen (antideeltjes tot elektronen) in kosmische straling voort uit het verval of de vernietiging van deeltjes van mysterieuze donkere materie. Dit is een ander natuurkundig element dat verder gaat dan het standaardmodel, waarvan het bestaan (en zelfs massaoverheersing) astronomen al lang kennen, maar niets de moeite waard kunnen zeggen: daarom is het donkere materie, dat het niet zichtbaar is, en zijn aanwezigheid verspreidt zich alleen door de zwaartekracht.
Dark Power
Het bleek dat het kwartet van theoretici uit Princeton, Harvard en New York al een verklaring heeft voor de PAMELA-resultaten, wat goed van pas kwam met de nieuwe data uit het Tevatron. Volgens Nima Arkanihamed en zijn collega's wordt in het kader van hun supersymmetrische model een uniforme en natuurlijke verklaring verkregen voor het overschot aan positronen dat betrouwbaar wordt gemeten door het PAMELA-apparaat, een nauwelijks waarneembare overmaat aan gammastraling die schijnbaar uit het niets komt, en de mistige gloed van het centrum van de melkweg in gamma en radiostralen opgenomen door andere astrofysische satellieten.
Volgens het model hebben donkere materiedeeltjes een massa van ongeveer 1000 GeV en nemen ze niet deel aan de interacties die we kennen. Ze werken echter op elkaar in met behulp van een "donkere" kracht op korte afstand, die wordt gedragen door een ander donker deeltje met een massa van ongeveer 1 GeV. Met andere woorden, aan de drie gebruikelijke soorten interactie, die alleen werken op gewone materie (elektromagnetisch en nucleair, zwak en sterk), wordt er nog een toegevoegd, die alleen werkt in de wereld van donkere materie. De zwaartekracht staat zoals gewoonlijk uit elkaar en verbindt beide werelden.
Theoretici hadden de "donkere" kracht nodig om de donkere materiedeeltjes te binden tot een soort "atomen", waarin een van de donkere deeltjes een negatieve "donkere lading" heeft en de andere een positieve "donkere lading". Alleen de vorming van ‘atomen’ maakt het mogelijk dat donkere materie intens genoeg vernietigt om de resultaten van astrofysische waarnemingen te verklaren (dit is het zogenaamde Sommerfeld-mechanisme).
Het deeltje dat de "donkere" kracht draagt, kan echter al direct vervallen door de uitstoot van gewone deeltjes, en het is dit deeltje, volgens Arkanihamed en zijn collega's, dat verantwoordelijk kan zijn voor het verschijnen van "extra" muonen.
Bovendien verloopt het verval van donkere deeltjes geladen met een donkere lading van nature in een cascade totdat het het lichtste stabiele donkere deeltje raakt, dat niets heeft om in te vervallen. Elke stap van deze cascade omvat een deeltje - een drager van donkere kracht, en daarom kan er bij elke stap een extra muon verschijnen. Tot zover muonen in "packs". Welnu, het feit dat ze allemaal in dezelfde richting vliegen, is simpelweg te wijten aan het feit dat het rottende deeltje snel beweegt - dus gooien de ladingen van het feestelijke vuurwerk, dat explodeert voordat ze het hoogste punt van hun traject bereiken, hele fonteinen van felle lichten naar voren. Tot zover de "jet".
De publicatie van gegevens door de CDF- en PAMELA-samenwerkingen zal ongetwijfeld leiden tot de opkomst van tientallen, zo niet honderden, mogelijke verklaringen in de komende maanden. Het is dus misschien niet de moeite waard om bij het model van Arkanihamed stil te staan. Tot dusver onderscheidt ze zich alleen door het feit dat ze bij het interpreteren van zowel die als andere gegevens bij de rechtbank bleek te zijn.
Het is natuurlijk mogelijk dat beide experimentele resultaten meer triviale verklaringen krijgen. "Extra muonen" kunnen niets meer blijken te zijn dan een onbekend instrumenteel effect van de gigantische CDF-installatie, en "extra positronen" kunnen worden gegenereerd in de buurt van neutronensterren in onze Melkweg.
Maar de vooruitzichten zijn intrigerend. In de wereld van donkere materie, die tot voor kort een vormloze troebelheid leek waarachter astronomen hun misverstand over de structuur van de wereld verbergen, begon een structuur te ontstaan - enkele interacties, "donkere ladingen", "donkere atomen". Misschien is de natuurkunde nog niet voorbij en zullen nieuwe generaties wetenschappers iets te bestuderen hebben in de "donkere wereld".
