Wetenschappers die in de CMS-samenwerking werkten, meldden de waarschijnlijke ontdekking van een onbekend deeltje dat verviel tot muonen met een totale massa van 28 GeV. Momenteel voorspelt geen theoretisch model het bestaan van dit deeltje, maar wetenschappers hopen dat deze anomalie niet het resultaat is van een statistische fout. De observatie-preprint is beschikbaar in de arXiv.org-repository. We zullen je uitgebreid vertellen over de studie, die zowel een doorbraakontdekking als een nieuwe trek kan blijken te zijn.
Helse spoel
De Compact Muon Solenoid, of CMS (Compact Muon Solenoid), is een detector voor grote deeltjes die zich bij de Large Hadron Collider (LHC) bevindt. Dit gigantische apparaat met een diameter van 15 meter en een gewicht van 15 duizend ton is ontworpen om te zoeken naar nieuwe fysica - fysica die verder gaat dan het standaardmodel. Als het Standaardmodel de eigenschappen van alle bekende elementaire deeltjes beschrijft (en sommige zijn nog niet bevestigd), dan proberen hypothesen in het kader van de Nieuwe Fysica verschillende verschijnselen te verklaren die voor wetenschappers nog steeds een mysterie zijn.
Volgens een van de hypothesen - supersymmetrie - komt elk bekend elementair deeltje overeen met een superpartner met een zwaardere massa. De partner van het elektron, dat het fermion is, is bijvoorbeeld het selectronboson en de partner van het gluon (dat het boson is) is het gluino-fermion. Het gebrek aan resultaten om supersymmetrie te bevestigen, heeft er echter toe geleid dat dit model door steeds meer wetenschappers wordt verlaten.
Proton-proton-botsingen vinden plaats in de detector. Elk proton bestaat uit drie quarks die bij elkaar worden gehouden door het gluonveld. Met een hoge snelheid, vergelijkbaar met de snelheid van het licht, verandert het gluonveld in een "soep" van deeltjes - gluonen. Bij een frontale botsing van protonen reageren slechts enkele quarks of gluonen met elkaar, de rest van de deeltjes vliegt ongehinderd voorbij. Er vinden reacties plaats die veel kortlevende deeltjes produceren en verschillende CMS-detectoren registreren hun vervalproducten, waaronder muonen. Muonen lijken op elektronen, maar 200 keer massiever.
Met behulp van detectoren die zich buiten de solenoïde bevinden, kunnen wetenschappers de trajecten van muonen met hoge nauwkeurigheid volgen en bepalen wat precies het verschijnen van een bepaald deeltje veroorzaakte. Er is een groot aantal proton-protonbotsingen nodig om de kans te vergroten dat een zeldzaam deeltje wordt geproduceerd dat uiteenvalt in muonen. Dit genereert een astronomische hoeveelheid gegevens (ongeveer 40 terabyte per seconde), en om snel iets ongewoons te vinden, wordt een speciaal triggersysteem gebruikt dat beslist welke informatie moet worden geregistreerd.
Promotie video:
De geest van binnen
CMS werd samen met de ATLAS-detector, ook op de LHC geplaatst, gebruikt om te zoeken naar het Higgs-deeltje voorspeld door het standaardmodel. Dit deeltje is verantwoordelijk voor de massa van de W- en Z-bosonen (dragers van de zwakke interactie) en het ontbreken van massa in het foton en gluon. In 2012 werd het Higgsdeeltje met een massa van 125 GeV ontdekt. Wetenschappers geloven echter dat er mogelijk andere Higgs-bosonen met een lagere massa zijn buiten het standaardmodel. Ze worden voorspeld door het twee-doublet Higgs-model en het NMSSM (bijna-minimale supersymmetrische standaardmodel). Ondanks alle experimentele tests zijn wetenschappers er nog steeds niet in geslaagd deze hypothesen te bewijzen of te weerleggen.
Wetenschappers van het CMS zijn op zoek naar andere lichte exotische deeltjes. Deze omvatten bijvoorbeeld donkere fotonen - dragers van een geheel nieuwe fundamentele interactie, die doet denken aan het elektromagnetische, en die analoog zijn aan fotonen voor donkere materie. Een ander hypothetisch deeltje is de donkere analoog van het Z-boson.
Natuurkundigen hebben een experiment uitgevoerd om bewijs te vinden voor het bestaan van een licht boson, dat wordt uitgezonden door een paar mooie quarks (b-quarks) en vervalt in een muon en een anti-muon. Tijdens het experiment met proton-proton botsingen op een energie in het massamiddelpuntsysteem (een systeem waarin deeltjes gelijke en tegengesteld gerichte impulsen hebben) gelijk aan 8 TeV, werden een aantal gebeurtenissen geregistreerd die waarschijnlijk verband houden met een hypothetisch boson.
Het eerste type evenement omvat het verschijnen van een straal b-quarks in het midden van de detector en het voorste deel, en het tweede - het verschijnen van twee jets in het midden en geen straal in het voorste deel. In beide gevallen werd een overmaat van de opkomende paren muonen waargenomen en bereikte de massa van de paren, zoals aangetoond door latere analyse, 28 GeV. Het verschil in het aantal muonparen van de achtergrondwaarden voor gebeurtenissen van de eerste soort is 4,2 standaarddeviatie (sigma) en voor gebeurtenissen van de tweede soort is dit 2,9 sigma.
Dood van de natuurkunde
In de deeltjesfysica duidt een verschil van vijf sigma op een zeker bestaan van een anomalie die niet toevallig kan zijn ontstaan. Als het verschil echter in het bereik van 3-5 sigma ligt, zeggen natuurkundigen dat dit alleen het bestaan van een nieuw deeltje aangeeft. In het laatste geval is het nodig om veel meer gegevens te verkrijgen om het resultaat te bevestigen (of te weerleggen), om fouten in de gegevensverwerking en interpretatie uit te sluiten. Als alles bevestigd is, kunnen we zeggen dat muonen ontstaan door het verval van een deeltje van de Nieuwe Fysica.
Het is niet de eerste keer dat er bij de LHC een fenomeen wordt waargenomen dat niet past in het Standaardmodel. In 2016 kondigden natuurkundigen de ontdekking aan van tekenen van het bestaan van een resonantie die overeenkomt met een enorm kortstondig deeltje. Het werd in 2015 geregistreerd als een overschot aan fotonenparen met een totale massa van 750 GeV, waarin dit deeltje zogenaamd zou vervallen. Met andere woorden, dit deeltje had zes keer zo zwaar moeten zijn als het Higgs-deeltje. Analyse van de gegevens die later bij de collider werden verzameld, bevestigde dit resultaat echter niet.
Tot nu toe hebben natuurkundigen geen betrouwbare sporen gevonden van het bestaan van de nieuwe fysica. Het lijdt echter geen twijfel dat het zou moeten bestaan, omdat het standaardmodel niet in staat is om verschijnselen te verklaren als het probleem van de hiërarchie van fermionmassa's (een hypothetisch Goldstone-boson wordt geïntroduceerd om het op te lossen), het bestaan van massa in neutrino's, de asymmetrie van materie en antimaterie, de oorsprong van donkere energie en andere. Alleen al de aanwezigheid van donkere materie in het heelal veronderstelt een hele klasse van hypothetische deeltjes met exotische eigenschappen waaruit het bestaat. Paradoxaal genoeg hebben wetenschappers tot dusver alleen maar het uitgeputte standaardmodel experimenteel kunnen bevestigen.
Sommige wetenschappers suggereren dat als het mogelijk is om de Nieuwe Fysica te bewijzen, dit in de zeer nabije toekomst, binnen een paar jaar, moet gebeuren. Anders is het mogelijk ernstig te vrezen dat de mensheid niet langer in staat zal zijn om belangrijke ontdekkingen te doen. Het is bemoedigend dat er de laatste tijd steeds meer anomalieën zijn gevonden op versnellers, wat erop duidt dat wetenschappers op het punt staan iets compleet nieuws te ontdekken.
Alexander Enikeev
