Wnętrze detektora PSD (Projectile Spectator Detector) wykorzystywanego w eksperymencie NA61/SHINE w CERN. (Źródło: Julien Marius Ordan, CERN-PHOTO-202011-147-2 / Licencja: CC-BY-4.0)
Naukowcy biorący udział w międzynarodowym eksperymencie NA61/SHINE wykryli wyraźną anomalię, która wskazuje na naruszenie jednej z podstawowych symetrii w domenie kwarków: przybliżonej symetrii zapachowej między kwarkami dolnymi i górnymi.
Anomalia ta, zaobserwowana podczas zderzeń jąder atomowych argonu i skandu, może wynikać z dotychczas nierozpoznanych wad istniejących modeli zderzeń jądrowych. Nie można jednak wykluczyć jej ewentualnego związku z nieuchwytną „nową fizyką”, jak stwierdzili przedstawiciele Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie w komunikacie przekazanym PAP.
Jeśli zbudujemy strukturę, używając równej liczby drewnianych i plastikowych bloków, a następnie ją rozbierzemy, możemy oczekiwać, że połowa bloków pozostanie drewniana, a połowa plastikowa. Fizycy tradycyjnie uważali, że podobna symetria stanów początkowego i końcowego (nazywana symetrią smaku) istnieje w zderzeniach cząstek zawierających kwarki dolne i górne.
Jednak inna perspektywa została przedstawiona w artykule opublikowanym w szanowanym czasopiśmie Nature Communications. Grupa eksperymentalna NA61/SHINE, w skład której wchodzi znaczna liczba fizyków z Polski, szczególnie z IFJ PAN, zgłosiła niezwykłe odkrycie o istotnych implikacjach.
Zespół badał zderzenia jąder argonu i skandu przyspieszanych przez akcelerator SPS – ten sam, który odpowiada za ostatnią fazę przyspieszania protonów przed ich wstrzyknięciem do akceleratora LHC w CERN pod Genewą.
„Zgodnie z naszą obecną wiedzą, obserwowany przez nas świat materialny składa się przede wszystkim z cząstek elementarnych znanych jako kwarki. Istnieje sześć odmian, z których każda ma odpowiednik w postaci antymaterii. Protony i neutrony, które są podstawowymi składnikami jąder atomowych, składają się z tripletu mieszanych kwarków dolnych i górnych, podczas gdy pary kwarków i antykwarków nazywane są mezonami” – wyjaśnia prof. Andrzej Rybicki (IFJ PAN), cytowany w komunikacie.
Siła, która wiąże kwarki w protony, neutrony lub mezony, znana jest jako oddziaływanie silne i jest opisana przez teorię zwaną chromodynamiką kwantową.
Równania tej teorii wskazują, że gdyby wszystkie typy kwarków miały identyczne masy, oddziaływanie silne nie rozróżniałoby ich. W rzeczywistości jednak kwarki różnych odmian (zapachów) mają znacząco różne masy, co zaburza tę symetrię. Niemniej jednak kluczową kwestią jest to, że dwie najlżejsze odmiany kwarków – wspomniane dolne i górne – mają tylko niewielką różnicę mas.
Silne oddziaływania nie traktują tych kwarków dokładnie tak samo, ale wystarczająco podobnie, aby umożliwić dyskusję na temat przybliżonej symetrii smakowej. Ta symetria jest kluczowa w badaniach jądrowych. Pozwala nam zrozumieć, że jeśli zderzenie o wysokiej energii z udziałem kwarków dolnych wytwarza pewne cząstki wtórne ze szczególnym prawdopodobieństwem, to z niemal takim samym prawdopodobieństwem odpowiadające im cząstki wtórne pojawiłyby się w zderzeniu z udziałem kwarków górnych (i odwrotnie).
Zespół eksperymentalny NA61/SHINE skupił się na mezonach K (kaonach) podczas zderzeń o wysokiej energii jąder atomowych argonu i skandu.
„Wyniki przedstawione przez nasz zespół wykazują statystycznie istotne odchylenia od wcześniejszych przewidywań teoretycznych. Powszechnie uważa się, że rozbieżności w danych eksperymentalnych wynikające z przybliżonej natury symetrii smaku nie przekraczają 3 procent w tym zakresie energii. Jednak odnotowaliśmy nadprodukcję naładowanych kaonów sięgającą nawet 18 procent” – stwierdza prof. Rybicki.
W badanych układach przed zderzeniami było nieco więcej kwarków dolnych niż górnych. „Intuicyjnie można by oczekiwać, że jeśli występują zaburzenia symetrii zapachowej, powinniśmy zaobserwować większą liczbę kwarków dolnych po zderzeniu. Jednak nasze analizy wyraźnie wskazują, że symetria zapachowa jest zaburzona w przeciwnym kierunku, co skutkuje większą liczbą kwarków górnych!” – zauważa prof. dr hab. Katarzyna Grebieszkow z Politechniki Warszawskiej, która jest inicjatorką pomiaru neutralnego kaonu, cytowana w komunikacie prasowym IFJ PAN.
Przyczyny obserwowanego złamania symetrii w zderzeniach jąder atomowych argonu i skandu pozostają niejasne. Możliwe, że teoretyczne obliczenia inspirowane chromodynamiką kwantową przeoczyły pewne krytyczne cechy tych zderzeń. Nie można jednak wykluczyć innej, bardziej niezwykłej możliwości: że obserwowany efekt wykracza poza obecną teorię silnych oddziaływań i opracowany przy jej użyciu Model Standardowy, co sugeruje, że może on wskazywać na długo oczekiwaną „nową fizykę”.
„W tym momencie nie możemy określić, czy jest to zjawisko uniwersalne, dotyczące wszystkich oddziaływań z udziałem kwarków, czy też jest ono specyficzne dla jąder o określonych masach lub konkretnych energiach zderzeń” – podkreśla prof. Rybicki, dodając: „W praktyce ta niepewność oznacza, że niemal wszystkie modele produkcji cząstek w zderzeniach o wysokiej energii i liczne wyniki eksperymentów powinny zostać poddane gruntownej ponownej ocenie”.
W nadchodzących miesiącach naukowcy z projektu NA61/SHINE podejmą działania mające na celu potwierdzenie złamania symetrii smakowej w zderzeniach charakteryzujących się równymi ilościami kwarków dolnych i górnych.
Niestety, najbardziej interesujące wyniki dotyczące zderzeń jąder magnezu będą możliwe dopiero po zbliżającej się trzyletniej przerwie w modernizacji akceleratora LHC.
Badania zostały sfinansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Narodowe Centrum Nauki.
Nauka w Polsce
poł/ agt/
