Przebłysk nadziei wśród fizyków: czy odkryto nową cząstkę?
Największy akcelerator cząstek na świecie Wielki Zderzacz Hadronów (LHC, Large Hadron Collider), znajdujący się w ośrodku naukowo-badawczym CERN pod Genewą, być może znowu stanie się miejscem wielkiego odkrycia w dziedzinie fizyki, a mianowicie – odnalezienia zupełnie nowej fundamentalnej cząstki
Naukowcy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów przedstawili nowe dane obejmujące rok obserwacji pochodzących z dwóch detektorów ATLAS i CMS. LHC rozbija protony z prędkością bliską światła, z energiami 13 teraelektronowoltów (również wyrażonych jako 13 TeV) – więcej niż jakikolwiek akcelerator cząstek kiedykolwiek osiągnął.
Kiedy protony zderzają się ze sobą, ich energia zostaje przekształcona w masę, zgodnie ze słynnym równaniem Einsteina, E = mc2. Teoretycznie, z energią 13 GeV (13 gigaelektronowoltów) powinna się przekształcić w masę w postaci nowej cząstki lub cząstek. Jeżeli są tworzone te same stare cząstki, to fizycy wiedzą, czego się spodziewać od tych kolizji. Kiedy widzą skok lub anomalię energii cząstek, to oznacza, że zaczynają szukać czegoś nowego. W tym przypadku detektory odebrały rodzaj podwójnego błysku fotonów gamma (tzw. di-fotonów) przy energii 750 GeV, co może wskazywać na obecność nowego rodzaju cząsteczki.
Yasunori Nomura z University of California w Berkeley, teoretyzuje, że dziwny, podwójny błysk może wyjaśniać tzw. kula gluonowa (glueball) – hipotetyczna cząstka będąca stanem związanym gluonów, której istnienie przewiduje chromodynamika kwantowa. Jest ona hadronem o zerowej liczbie barionowej, więc zalicza się do mezonów. Istnienie kul gluonowych nie zostało do tej pory potwierdzone eksperymentalnie, mimo że istnieją techniczne możliwości ich uzyskania. W akceleratorach osiągane są bowiem dostatecznie wysokie energie wiązek przeciwbieżnych hadronów. Trudności z wykryciem kul gluonowych tłumaczy się tym, że mogą one występować w stanach mieszanych z mezonami kwarkowymi. Istotne jest także to, że teoria przewiduje, iż kule gluonowe mają masę, mimo że składają się z bezmasowych gluonów.
Nomura mówi, że jego model mógłby zostać potwierdzony, gdyby przyszłe eksperymenty w LHC wykazałyby to zjawisko poza promieniowaniem gamma. Ale jest ostrożny. Wydarzenie jest niezwykłe, ale naukowcy nie mogą jeszcze powiedzieć, że są na etapie odkrycia.
Inni naukowcy sugerują, że anomalia może być śladem ciemnej materii. Jednym z nich jest Mihailo Backovic, fizyk z Université Catholique de Louvain w Belgii. Zauważył, że oba detektory odebrały sygnał mniej więcej o tej samej energii – około 750 GeV.
W eksperymentach akceleratora cząstek, jednym z mierników odkrycia jest liczba "zdarzeń" z nim powiązanych, co za tym idzie, naukowcy szukają, ile cząstek pochodzi strumieniowo z wzajemnego rozbicia dwóch protonów.
Ocena tych "zdarzeń" – jak często zderzone ze sobą protony wytwarzają mniejsze cząstki, takie jak kwarki i gluony – może również wskazywać na słuszność odkrycia. Liczb zdarzeń na jednostkę energii (mierzonej w GeV) powinna przedstawiać gładką krzywą, gdy energia wzrasta, przy założeniu że fizyczne równania, które zastosowali naukowcy są prawidłowe.
Dane z LHC pokazują coś kuszącego – „guzek” na krzywej zdarzeń cząstek, skupionych na poziomie energii 750 GeV. „Guzek” pojawił się w obu detektorach, więc na pierwszy rzut oka jest to mało prawdopodobne, aby miało być szczęśliwym trafem.
Problemem jest to, że zaufanie do danych nie jest tak wysokie, jakby naukowcy sobie życzyli. Aby ogłosić odkrycie nowej cząstki, fizycy muszą mieć, jak sami to nazywają, "5 sigma" pewności. Sigma jest miarą tego, jak prawdopodobne jest, że to, co widać, jest przypadkowe. Poziom 1 sigma oznacza, że sygnał może być przypadkowym zakłóceniem, przy 3 sigma mówi się o obserwacji, a przy 5 sigma o odkryciu (szansa, że jest to przypadek wynosi około 1 na 3,5 mln). W tym przypadku mówimy na razie o pewności na poziomie co najwyżej 3,9 sigma. Jest to jednak wystarczająco dużo, aby być zjawiskiem intrygującym, ale nie na tyle, aby powiedzieć, że ktoś „widział” nową cząstkę.
Opracowano na podstawie:
Glimpse of Possible New Particle Intrigues Physicists
