Parçacık Fiziğinin Standart Modeli Bozulabilir

Lancaster, Birleşik Krallık:

Cern’deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) çalışan bir fizikçi olarak bana en sık sorulan sorulardan biri “Ne zaman bir şey bulacaksınız?”. “Nobel Ödülü’nü kazanan Higgs bozonu ve bir sürü yeni bileşik parçacık dışında?” alaylı bir şekilde yanıt vermenin cazibesine direnerek, sorunun bu kadar sık ​​sorulmasının nedeninin, ilerlemeyi nasıl tasvir ettiğimize bağlı olduğunu anlıyorum. parçacık fiziği daha geniş dünyaya.

Yeni parçacıkların keşfedilmesi açısından ilerleme hakkında sık sık konuşuyoruz ve çoğu zaman da öyle. Yeni, çok ağır bir parçacığı incelemek, altta yatan fiziksel süreçleri görmemize yardımcı olur – genellikle rahatsız edici arka plan gürültüsü olmadan. Bu, keşfin değerini halka ve politikacılara açıklamayı kolaylaştırır.

Ancak son zamanlarda, zaten bilinen bataklık standardı parçacıkların ve süreçlerin bir dizi kesin ölçümü fiziği sarsmakla tehdit etti. Ve LHC çalışmaya hazırlanırken daha yüksek enerji ve yoğunlukta Her zamankinden daha fazla, sonuçları geniş bir şekilde tartışmaya başlamanın zamanı geldi.

Gerçekte, parçacık fiziği her zaman iki yoldan ilerlemiştir, bunlardan biri yeni parçacıklardır. Diğeri, teorilerin tahminlerini test eden ve beklenenden sapmaları arayan çok kesin ölçümler yapmaktır.

Örneğin, Einstein’ın genel görelilik kuramının ilk kanıtları, yıldızların görünen konumlarındaki küçük sapmaları ve Merkür’ün yörüngesindeki hareketini keşfetmesinden geldi.

Üç önemli bulgu

Parçacıklar, kuantum mekaniği adı verilen sezgisel ama son derece başarılı bir teoriye uyar. Bu teori, doğrudan bir laboratuvar çarpışmasında yapılamayacak kadar büyük parçacıkların, diğer parçacıkların (“kuantum dalgalanmaları” adı verilen bir şey aracılığıyla) yaptıklarını hala etkileyebileceğini göstermektedir. Bununla birlikte, bu tür etkilerin ölçümleri çok karmaşıktır ve halka açıklamak çok daha zordur.

Ancak standart modelin ötesinde açıklanamayan yeni fiziğe işaret eden son sonuçlar bu ikinci türdendir. Detaylı LHCb deneyinden yapılan çalışmalar güzellik kuarkı (kuarklar atom çekirdeğindeki protonları ve nötronları oluşturur) olarak bilinen bir parçacığın, bir müondan çok daha sık bir şekilde bir elektrona “çözüldüğünü” (parçalandığını) buldu – elektronun daha ağır, ancak diğer açılardan aynı olan kardeşi. Standart modele göre, bu olmamalı – yeni parçacıkların ve hatta doğa güçlerinin süreci etkileyebileceğini ima ediyor.

Şaşırtıcı bir şekilde, LHC’deki ATLAS deneyinden elde edilen “üst kuarkları” içeren benzer süreçlerin ölçümleri bu bozunmayı göstermektedir. eşit oranlarda olur elektronlar ve müonlar için.

Bu arada, ABD’deki Fermilab’daki Muon g-2 deneyi yakın zamanda yaptı. çok hassas çalışmalar müonların “dönmeleri” (bir kuantum özelliği) çevreleyen manyetik alanlarla etkileşime girmesiyle nasıl “sallandıklarına” dair. Bazı teorik tahminlerden küçük ama önemli bir sapma buldu – yine bilinmeyen kuvvetlerin veya parçacıkların iş başında olabileceğini düşündürdü.

bu son şaşırtıcı sonuç adı verilen temel bir parçacığın kütlesinin ölçümüdür. W bozonuradyoaktif bozunmayı yöneten zayıf nükleer kuvveti taşıyan. Yıllarca süren veri alma ve analizden sonra, yine Fermilab’daki deney, teorinin öngördüğünden önemli ölçüde daha ağır olduğunu ve bir milyondan fazla deneyde tesadüfen olmayacak bir miktarda sapma olduğunu öne sürüyor. Yine, henüz keşfedilmemiş parçacıkların kütlesine eklenmesi olabilir.

Bununla birlikte, ilginç bir şekilde, bu aynı zamanda LHC’den alınan bazı düşük hassasiyetli ölçümlerle de uyuşmamaktadır. bu çalışma ve Bu).

Karar

Bu etkilerin yeni bir açıklama gerektirdiğinden kesinlikle emin olmasak da, bazı yeni fiziğe ihtiyaç duyulduğuna dair kanıtlar artıyor gibi görünüyor.

Elbette, teorisyenlerin sayısı kadar, bu gözlemleri açıklamak için önerilen neredeyse yeni mekanizmalar olacaktır. Birçoğu, “süpersimetri”. Bu, standart modelde düşündüğümüzden iki kat daha fazla temel parçacık olduğu ve her parçacığın bir “süper partner”e sahip olduğu fikridir. Bunlar, ek Higgs bozonlarını (temel parçacıklara kütlelerini veren alanla ilişkili) içerebilir.

Diğerleri bunun ötesine geçecek ve “tek renkliBu, doğanın ek kuvvetlerinin (yerçekimi, elektromanyetizma ve zayıf ve güçlü nükleer kuvvetlere ek olarak) olduğu anlamına gelir ve Higgs bozonunun aslında başka parçacıklardan oluşan bileşik bir nesne olduğu anlamına gelebilir. Sadece deneyler, konunun gerçeğini ortaya çıkaracaktır – bu, deneyciler için iyi bir haber.

Yeni bulguların arkasındaki deney ekiplerinin hepsine saygı duyuluyor ve problemler üzerinde uzun süredir çalışıyorlar. Bununla birlikte, bu ölçümlerin yapılmasının son derece zor olduğunu not etmek onlara saygısızlık olmaz. Dahası, standart modelin tahminleri genellikle yaklaşıklıkların yapılması gereken hesaplamaları gerektirir. Bu, farklı teorisyenlerin varsayımlara ve yapılan yaklaşıklık düzeyine bağlı olarak biraz farklı kütleler ve bozulma oranları tahmin edebilecekleri anlamına gelir. Bu nedenle, daha doğru hesaplamalar yaptığımızda, yeni bulguların bir kısmı standart modele uygun olabilir.

Aynı şekilde, araştırmacılar son derece farklı yorumlar kullanıyor ve bu nedenle tutarsız sonuçlar buluyor olabilir. İki deneysel sonucun karşılaştırılması, her iki durumda da aynı yakınlaştırma seviyesinin kullanıldığının dikkatli bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir.

Bunların her ikisi de “sistematik belirsizlik” kaynaklarının örnekleridir ve ilgililerin tümü bunları ölçmek için ellerinden gelenin en iyisini yapsalar da, onları eksik veya fazla tahmin eden öngörülemeyen komplikasyonlar olabilir.

Bunların hiçbiri mevcut sonuçları daha az ilginç veya önemli kılmaz. Sonuçların gösterdiği şey, yeni fiziği daha derinden anlamak için birden fazla yol olduğu ve hepsinin keşfedilmesi gerektiğidir.

LHC’nin yeniden başlatılmasıyla birlikte, daha nadir süreçlerle yapılan veya henüz ortaya çıkaramadığımız arka planların altında gizlenmiş bulunan yeni parçacıkların umutları var.

(Yazar: Roger JonesFizik Profesörü, Bölüm Başkanı, Lancaster Üniversitesi)

Açıklama bildirimi: Roger Jones, STFC’den fon alıyor. ATLAS İşbirliği üyesiyim

Bu makale şuradan yeniden yayınlandı: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak orijinal makale.

(Başlık dışında, bu haber NDTV çalışanları tarafından düzenlenmemiştir ve ortak bir yayından yayınlanmıştır.)