ΑΡΧΑΙΑ ΙΘΩΜΗ

Το πείραμα NA62 έχει μήκος 270 μέτρα και περιλαμβάνει δεξαμενή κενού μήκους 120 μέτρων, που φαίνεται εδώ, που στεγάζει αρκετούς από τους ανιχνευτές σωματιδίων. (Σημείωση: ο άξονας του πειράματος είναι μια ευθεία γραμμή, η καμπύλη της δεξαμενής είναι ένα οπτικό αποτέλεσμα της φωτογραφίας.) CERN

Οι επιστήμονες στο CERN έχουν αναφέρει για τα πρώτα σημαντικά αποδεικτικά στοιχεία τους για μια διαδικασία που προβλέπεται από τη θεωρία, ανοίγοντας το δρόμο για αναζητήσεις για αποδείξεις νέας φυσικής σε διεργασίες σωματιδίων που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη και άλλα μυστήρια του σύμπαντος.

Σήμερα η συνεργασία CERN NA62, που συγχρηματοδοτείται εν μέρει από το Συμβούλιο Επιστημών και Τεχνολογικών Εγκαταστάσεων (STFC) του Ηνωμένου Βασιλείου και περιλαμβάνει αρκετούς Βρετανούς επιστήμονες, παρουσίασε στο συνέδριο ICHEP 2020 στην Πράγα τα πρώτα σημαντικά πειραματικά στοιχεία για την εξαιρετικά σπάνια αποσύνθεση του το φορτισμένο kaon σε φορτισμένο pion και δύο νετρίνα, (π.χ. K ⁺ → π ⁺ νν).

Η διαδικασία αποσύνθεσης είναι σημαντική στην αιχμή της φυσικής έρευνας επειδή είναι τόσο ευαίσθητη στις αποκλίσεις από τις θεωρητικές προβλέψεις.

Αυτό σημαίνει ότι είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πράγματα που πρέπει να παρατηρήσετε για τους φυσικούς που αναζητούν στοιχεία για να υποστηρίξουν εναλλακτικό θεωρητικό μοντέλο στη σωματιδιακή φυσική .

Ο καθηγητής Mark Thomson, φυσικός σωματιδίων και εκτελεστικός πρόεδρος του STFC, δήλωσε ότι αυτή ήταν μια συναρπαστική πρόοδος, διότι το αποτέλεσμα δείχνει πώς οι ακριβείς μετρήσεις αυτής της διαδικασίας θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέα φυσική, πέρα ​​από το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής που αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1970:

“Το πρότυπο μοντέλο περιγράφει τις θεμελιώδεις δυνάμεις και τα δομικά στοιχεία του σύμπαντος. Είναι μια εξαιρετικά επιτυχημένη θεωρία, αλλά υπάρχουν πολλά μυστήρια του σύμπαντος που δεν το εξηγεί το πρότυπο μοντέλο, όπως η φύση της σκοτεινής ύλης και η προέλευση του ύλη – ανισορροπία αντιύλης στο σύμπαν.

“Οι φυσικοί έψαχναν για θεωρητικές επεκτάσεις στο Πρότυπο Μοντέλο.

Οι μετρήσεις των εξαιρετικά σπάνιων διαδικασιών παρέχουν μια συναρπαστική οδό για την εξερεύνηση αυτών των δυνατοτήτων, με την ελπίδα να ανακαλύψουν νέα φυσική πέρα ​​από το Πρότυπο Μοντέλο.”

Οι συμμετέχοντες στο Ηνωμένο Βασίλειο σε αυτήν την έρευνα προέρχονται από τα Πανεπιστήμια του Μπέρμιγχαμ, του Μπρίστολ, της Γλασκόβης και του Λάνκαστερ, και έχουν χρηματοδοτηθεί από το STFC που αποτελεί μέρος της έρευνας και καινοτομίας του Ηνωμένου Βασιλείου, καθώς και από τη Royal Society και το Ευρωπαϊκό Συμβούλιο Έρευνας (ERC).

Το πείραμα NA62 έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί, με σημαντική συνεισφορά στο Ηνωμένο Βασίλειο, ειδικά για τη μέτρηση αυτών των εξαιρετικά σπάνιων αποσυνθέσεων kaon, από kaons που παράγονται από μια μοναδική δέσμη πρωτονίων υψηλής έντασης που παρέχεται από το συγκρότημα επιταχυντών CERN.

Τα καόνια δημιουργούνται συγκρούοντας πρωτόνια υψηλής ενέργειας από το Super Proton Synchrotron (SPS) του CERN σε ένα σταθερό στόχο βηρυλλίου.

Αυτό δημιουργεί μια δέσμη δευτερογενών σωματιδίων που περιέχει και διαδίδει σχεδόν ένα δισεκατομμύριο σωματίδια ανά δευτερόλεπτο, περίπου το 6% των οποίων είναι καόνια.

 Ο κύριος στόχος του NA62 είναι να μετρήσει με ακρίβεια τον τρόπο με τον οποίο το φορτισμένο σωματίδιο kaon διασπάται σε ζεύγος pion και νετρίνο-αντινετρίνο.

Το Ηνωμένο Βασίλειο διαδραματίζει ισχυρό ηγετικό ρόλο στην ανάλυση αποσύνθεσης K ⁺ → π ⁺ νν.

“Αυτή η διαδικασία διάσπασης kaon ονομάζεται” χρυσό κανάλι “λόγω του συνδυασμού της ύπαρξης τόσο σπάνιων όσο και άριστα προβλεπόμενων στο Πρότυπο μοντέλο.

Είναι πολύ δύσκολο να συλλάβει και να έχει πραγματική υπόσχεση για τους επιστήμονες που αναζητούν νέα φυσική”, εξηγεί ο καθηγητής.

Cristina Lazzeroni, Φυσική σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ και εκπρόσωπος του NA62.

“Είναι η πρώτη φορά που καταφέραμε να αποκτήσουμε σημαντικά πειραματικά στοιχεία για αυτήν τη διαδικασία αποσύνθεσης.

Είναι μια συναρπαστική στιγμή επειδή είναι ένα θεμελιώδες βήμα για τη σύλληψη της ακριβούς μέτρησης της φθοράς και τον εντοπισμό πιθανών αποκλίσεων από το Πρότυπο Μοντέλο.

“Με τη σειρά του, αυτό θα μας επιτρέψει να βρούμε νέους τρόπους κατανόησης του σύμπαντός μας.

Τα όργανα και οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν στο πείραμα NA62 θα οδηγήσουν στην επόμενη γενιά πειραμάτων σπάνιας διάσπασης kaon.”

Το νέο αποτέλεσμα που μετρήθηκε με ακρίβεια 30%, δίνει την πιο ακριβή μέτρηση μέχρι σήμερα αυτής της διαδικασίας.

 Το αποτέλεσμα είναι σύμφωνο με την προσδοκία του Standard Model, αλλά εξακολουθεί να αφήνει περιθώρια για την ύπαρξη νέων σωματιδίων.

Απαιτούνται περισσότερα δεδομένα για να καταλήξουμε σε ένα οριστικό συμπέρασμα σχετικά με την παρουσία ή όχι της νέας φυσικής.

Ο συνεργάτης του STFC Ernest Rutherford Dr. Giuseppe Ruggiero από το Πανεπιστήμιο του Λάνκαστερ είναι ο κορυφαίος αναλυτής αυτής της μέτρησης από το 2016 και βοήθησε στη δημιουργία του πειράματος.

 Αυτός είπε:

“Η ανάλυση των δεδομένων από το πείραμα αποτέλεσε πραγματική πρόκληση.

Έπρεπε να καταστείλουμε ένα τεράστιο ποσό ανεπιθύμητων δεδομένων, περίπου χίλια δισεκατομμύρια φορές.

Και έπρεπε να το κάνουμε αυτό χωρίς να χάσουμε το μικροσκοπικό σήμα που θέλαμε να ανιχνεύσουμε.

Αυτό είναι πολύ πιο δύσκολο να βρούμε μια βελόνα σε ένα εκατομμύριο άχυρα! Χρησιμοποιήσαμε μια μέθοδο που ονομάζεται τεχνική τυφλής ανάλυσης.

Ονομάζεται, επειδή η ανάλυση γίνεται χωρίς να κοιτάζουμε στην περιοχή, ή “τυφλό κουτί”, όπου υποτίθεται ότι είναι το σήμα. “

Η STFC χρηματοδότησε επίσης δύο υποτροφίες Ernest Rutherford, μία στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ και στη συνέχεια στο Λάνκαστερ και μία στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ.

Επιπλέον, τρεις διδακτορικοί φοιτητές στο Πανεπιστήμιο του Μπέρμιγχαμ έλαβαν υποστήριξη από το STFC και ένας τώρα εργάζεται ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο έργο.

Και οι πέντε φυσικοί «πρώιμης καριέρας» έχουν εργαστεί στο έργο.

Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην έρευνα ελήφθησαν μεταξύ 2016-2018 στον ιστότοπο Prevessin του CERN, στη Γαλλία, και στην έρευνα συμμετέχουν περισσότεροι από 200 επιστήμονες από 31 ιδρύματα.

 Μια νέα περίοδος λήψης δεδομένων θα ξεκινήσει το 2021 και θα επιτρέψει στη συνεργασία NA62 να δώσει μια πιο συγκεκριμένη απάντηση στο ζήτημα της νέας φυσικής.

Τα ευρήματα

Το νέο αποτέλεσμα προέρχεται από μια λεπτομερή ανάλυση του πλήρους συνόλου δεδομένων NA62 που έχει συλλεχθεί μέχρι στιγμής, που αντιστοιχεί στην έκθεση των 6 × 10 ¹² τερηδόνων kaon.

Επειδή η διαδικασία που μετράται είναι τόσο σπάνια, η ομάδα έπρεπε να είναι ιδιαίτερα προσεκτική για να μην κάνει κάτι που μπορεί να προκαλέσει προκατάληψη στο αποτέλεσμα.

Για το λόγο αυτό, το πείραμα πραγματοποιήθηκε ως «τυφλή ανάλυση», όπου οι φυσικοί αρχικά εξετάζουν μόνο το υπόβαθρο για να ελέγξουν ότι η κατανόησή τους για τις διάφορες πηγές είναι σωστή.

Μόνο όταν ικανοποιηθούν με αυτό, κοιτάζουν την περιοχή των δεδομένων όπου αναμένεται να είναι το σήμα.

 Αυτό ονομάζεται «τυφλή ανάλυση».

Μετά από μια τυφλή ανάλυση, παρατηρήθηκαν 17 υποψήφιοι K ⁺ → π ⁺ νν στο κύριο σύνολο δεδομένων που συλλέχθηκαν το 2018, αποκαλύπτοντας σημαντική υπέρβαση από το αναμενόμενο υπόβαθρο μόνο 5,3 εκδηλώσεων.

Αυτή η περίσσεια οδηγεί στην πρώτη απόδειξη αυτής της διαδικασίας (με στατιστική σημασία πάνω από το επίπεδο “three sigma”).

Ο ρυθμός αποσύνθεσης, μετρούμενος με ακρίβεια 30%, παρέχει την πιο ακριβή μέτρηση μέχρι σήμερα αυτής της διαδικασίας.

Το αποτέλεσμα είναι σύμφωνο με τις προσδοκίες του Standard Model, αλλά αφήνει περιθώρια για νέα αποτελέσματα στη φυσική.

Απαιτούνται περισσότερα δεδομένα για να καταλήξουμε σε ένα οριστικό συμπέρασμα σχετικά με την παρουσία ή όχι της νέας φυσικής.

Η πιθανότητα να συμβεί αυτή η διαδικασία, που ονομάζεται “λόγος διακλάδωσης”, για την εξαιρετικά σπάνια διάσπαση K ⁺ → π ⁺ νν είναι πολύ μικρή και προβλέπεται στο πρότυπο μοντέλο φυσικής σωματιδίων με υψηλή ακρίβεια: (8,4 ± 1,0) × 10 ^{– 11} . 

Αυτό οδηγεί σε εξαιρετική ευαισθησία στα πιθανά φαινόμενα πέρα ​​από την περιγραφή του Πρότυπου Μοντέλου, καθιστώντας αυτή τη φθορά μια «χρυσή λειτουργία», δηλαδή ένα από τα πιο ενδιαφέροντα παρατηρήσιμα στην ακρίβεια της φυσικής των σωματιδίων.

Η πειραματική μελέτη είναι ωστόσο εξαιρετικά δύσκολη λόγω του μικρού ρυθμού, ενός ζεύγους νετρίνων στην τελική κατάσταση και των τεράστιων πιθανών διαδικασιών υποβάθρου.

Λόγω των χαρακτηριστικών του, το πείραμα NA62 έχει εξαιρετική ευαισθησία σε μια ποικιλία σπάνιων αποσυνθέσεων Kaon και εξωτικών διεργασιών.

Η συνεργασία NA62 ετοιμάζεται να συλλέξει ένα ακόμη μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων το 2021–24, όταν το CERN SPS θα επανεκκινήσει τη λειτουργία, λαμβάνοντας δεδομένα σε υψηλότερη ένταση δέσμης με βελτιωμένη γραμμή δέσμης και ρύθμιση ανιχνευτή.

Ο επόμενος στόχος είναι μια παρατήρηση “πέντε σίγμα” της διάσπασης K ⁺ → π ⁺ νν, ακολουθούμενη από μια μέτρηση του ρυθμού αποσύνθεσης με ακρίβεια 10%, παρέχοντας έτσι μια ισχυρή ανεξάρτητη δοκιμή το Πρότυπο Μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων.

Ο ορίζοντας ενός νέου προγράμματος φυσικής με ευαισθησία στους ρυθμούς αποσύνθεσης κάτω από το επίπεδο ^10-11 είναι τώρα ορατός.

Για το μακροπρόθεσμο μέλλον, αρχίζει να διαμορφώνεται ένα πρόγραμμα ακτίνων kaon υψηλής έντασης, με προοπτικές μέτρησης της διάσπασης K ⁺ → π ⁺ νν με ακρίβεια λίγου%, για την αντιμετώπιση της ανάλογης φθοράς του ουδέτερου kaon, KL → π ⁰ νν, και να επιτευχθούν ακραίες ευαισθησίες σε μια μεγάλη ποικιλία σπάνιων αποσύνθεσης kaon που είναι δωρεάν για έρευνες στον τομέα του κουάρκ ομορφιάς.

Η εξαιρετικά σπάνια αποσύνθεση kaon θα μπορούσε να οδηγήσει σε αποδείξεις νέας φυσικής

Παρέχεται από το Συμβούλιο Εγκαταστάσεων Επιστήμης και Τεχνολογίας