Vědci pracující ve spolupráci s CMS hlásili pravděpodobný objev neznámé částice rozpadající se na miony o celkové hmotnosti 28 GeV. V současné době žádný teoretický model nepředpovídá existenci této částice, ale vědci doufají, že tato anomálie není výsledkem statistické chyby. Předtisk pozorování je k dispozici v úložišti arXiv.org. Řekneme vám podrobně o studii, která se může ukázat jako průlomový objev a další obláček.
Pekelná cívka
Kompaktní muonový solenoid neboli CMS (kompaktní muonový solenoid) je detektor velkých částic umístěný u velkého hadronového kluzáku (LHC). Toto obří zařízení o průměru 15 metrů a hmotnosti 15 000 tun je určeno k hledání nové fyziky - fyziky nad rámec standardního modelu. Pokud standardní model popisuje vlastnosti všech známých elementárních částic (a některé ještě nebyly potvrzeny), pak se hypotézy v rámci nové fyziky snaží vědcům vysvětlit různé jevy, které stále zůstávají tajemstvím.
Podle jedné z hypotéz - supersymetrie - každá známá elementární částice odpovídá superpartneru s vyšší hmotností. Například partner elektronu, kterým je fermion, je selektronový boson a partnerem gluonu (kterým je boson) je gluino fermion. Nedostatek výsledků k potvrzení supersymetrie však vedl ke skutečnosti, že tento model opouští stále více vědců.
Uvnitř detektoru dochází ke srážce proton-proton. Každý proton se skládá ze tří kvarků, které drží pohromadě gluonové pole. Při vysoké rychlosti srovnatelné s rychlostí světla se gluonové pole mění na „polévku“částic - gluonů. Při čelní srážce protonů mezi sebou interaguje pouze několik kvarků nebo gluonů, zbytek částic létá bez překážek. Probíhají reakce, které produkují mnoho částic s krátkou životností, a různé detektory CMS zaznamenávají své produkty rozkladu, včetně mionů. Muony se podobají elektronům, ale 200krát mohutnější.
S pomocí detektorů umístěných mimo solenoid jsou vědci schopni sledovat trajektorie mionů s vysokou přesností a určit, co přesně způsobilo vzhled konkrétní částice. Ke zvýšení šance na vytvoření vzácné částice, která se rozpadne na miony, je zapotřebí velké množství kolizí proton-proton. To vytváří astronomické množství dat (asi 40 terabajtů za sekundu), a aby se v nich rychle našlo něco neobvyklého, používá se speciální spouštěcí systém, který rozhoduje, jaké informace se mají zaznamenat.
Propagační video:
Duch uvnitř
CMS, spolu s detektorem ATLAS, také umístěným na LHC, byl použit k hledání Higgsova bosonu předpovídaného standardním modelem. Tato částice je zodpovědná za hmotnost W- a Z-bosonů (nosiče slabé interakce) a za nedostatek hmoty ve fotonu a gluonu. V roce 2012 byl objeven Higgsův boson o hmotnosti 125 GeV. Vědci se však domnívají, že mimo standardní model mohou existovat i další Higgsovy bosony s nízkou hmotností. Předpovídají je Higgsův model s dvěma dublety a NMSSM (supersymetrický standardní model s minimem supersymetrie). Přes všechny experimentální testy vědci stále nebyli schopni tyto hypotézy dokázat nebo vyvrátit.
Vědci v CMS hledají další lehké exotické částice. Patří sem například temné fotony - nosiče zcela nové základní interakce, připomínající elektromagnetické, které jsou analogické fotonům pro temnou hmotu. Další hypotetická částice je temný analog Z-bosonu.
Fyzici provedli experiment, aby našli důkaz o existenci lehkého bosonu, který je emitován párem pěkných kvarků (b-kvarky) a rozpadá se na mion a anti-muon. Během experimentu s proton-protonovými srážkami při energii ve středu hmotného systému (systém, ve kterém částice mají stejnou a opačně orientovanou momentu) rovnající se 8 TeV, bylo zaznamenáno množství událostí, které jsou pravděpodobně spojeny s hypotetickým bosonem.
První typ událostí zahrnuje vzhled paprsku b-kvarků ve středu detektoru a jeho přední části a druhý - výskyt dvou proudů ve středu a žádný paprsek v přední části. V obou případech byl pozorován nadbytek vznikajících párů mionů a hmotnost párů, jak ukazuje následující analýza, dosáhla 28 GeV. Rozdíl v počtu mionových párů od hodnot pozadí pro události prvního druhu je 4,2 standardní odchylka (sigma) a pro události druhého druhu je 2,9 sigma.
Smrt fyziky
V částicové fyzice znamená rozdíl pěti sigma určitou existenci anomálie, která nemohla vzniknout náhodou. Pokud však rozdíl leží v rozmezí 3-5 sigma, pak fyzici říkají, že to jen naznačuje existenci nové částice. V posledně uvedeném případě je nutné získat mnohem více údajů k potvrzení (nebo vyvrácení) výsledku, aby se vyloučily chyby ve zpracování a interpretaci dat. Pokud bude vše potvrzeno, můžeme říci, že miony vznikají v důsledku rozkladu částice nové fyziky.
Není to poprvé, kdy byl na LHC pozorován jev, který se nehodí do standardního modelu. V roce 2016 fyzici oznámili objev náznaků existence rezonance odpovídající masivní krátkodobé částici. V roce 2015 byla zaregistrována jako nadbytek párů fotonů o celkové hmotnosti 750 GeV, na které se tato částice údajně rozkládá. Jinými slovy, tato částice měla být šestkrát hmotnější než Higgsův boson. Analýza údajů shromážděných u srážky později však tento výsledek nepotvrdila.
Až dosud fyzici nenašli spolehlivé stopy existence nové fyziky. Není pochyb o tom, že by měl existovat, protože standardní model není schopen vysvětlit takové jevy, jako je problém hierarchie fermionových hmot (zavádí se hypotetický Goldstoneův boson), existence hmoty v neutrinách, asymetrie hmoty a antihmoty, původ temné energie a další. Samotná přítomnost temné hmoty ve vesmíru předpokládá celou řadu hypotetických částic s exotickými vlastnostmi, které ji tvoří. Paradoxně vše, co vědci dosud dokázali, je experimentálně potvrdit vyčerpaný standardní model.
Někteří vědci naznačují, že pokud je možné dokázat novou fyziku, mělo by to být provedeno ve velmi blízké budoucnosti, během několika příštích let. V opačném případě bude možné se vážně obávat, že lidstvo již nebude schopno provádět významné objevy. Je povzbudivé, že v poslední době bylo na akcelerátorech nalezeno stále více anomálií, což naznačuje, že vědci jsou na pokraji něčeho úplně nového.
Alexander Enikeev