V nedávném článku o objevu částice, která by mohla být hledaným higgsem, jsem psal o narůstající frustraci z toho, že se pomocí LHC stále nedaří objevit známky nové fyziky. Pokud se potvrdí, že nově objevená částice je standardním higgsem, tedy poslední chybějící částici zmíněného standardního modelu částic a interakcí, bude to další potvrzení síly standardního modelu. Prozatím všechny výsledky, které nám experimenty na LHC poskytly, potvrzují standardní model a neukazují žádné projevy obecnější nové fyzikální teorie, která stojí nad touto současnou teorií.
Je jasné, že tato nová fyzika musí existovat. Už proto, že fyzika standardního modelu dokáže objasnit jen zhruba čtyři procenta hmoty našeho vesmíru. Zbytek tvoří jednak tzv. temná hmota, kterou pozorujeme pouze díky jejím gravitačním účinkům a jejíž povahu neznáme. Další složkou je ještě záhadnější temná energie, která způsobuje zrychlování rozpínání našeho vesmíru.
Supersymetrické částice
Jedněmi z kandidátů na vysvětlení skryté hmoty jsou supersymetrické částice, které jsou součástí jedné třídy fyzikálních teorií za standardním modelem. Ty předpovídají, že každá ze známých částic standardního modelu má svého supersymetrického partnera. Jak se vyznat ve všemožných částicích a tedy i supersymetrických je popsáno v tomto článku.
Supersymetričtí partneři jsou mnohem těžší a zároveň s normální hmotou téměř neinteragují. V nejranějších fázích vývoje vesmíru jich vzniklo velké množství. Postupně se však rozpadaly ty těžší na lehčí, až zůstala právě jen ta nejlehčí supersymetrická částice, která by mohla tvořit zmíněnou temnou hmotu ve vesmíru. Musí být neutrální, protože v případě, že by měla elektrický náboj, interagovala by s nabitou normální hmotou.
Je třeba zdůraznit, že supersymetrické teorie jsou zatím pouze hypotézy a supersymetrické částice částicemi pouze hypotetickými. Jejich potvrzení může proběhnout pomocí LHC buď přímou metodou, nebo nepřímo z pozorování jejich vlivu na vlastnosti rozpadů známých částic standardního modelu. Na přímou produkci supersymetrických částic a jejich identifikaci se zaměřují experimenty ATLAS a CMS. Ani jednomu z nich se zatím vznik a rozpad žádné supersymetrické částice pozorovat nepodařilo.
| Rozpad BS0 mezonu na pár mionu a antimionu pozorovaný experimentem LHCb (zdroj CERN). |
Nepřímé potvrzení existence supersymetrických částic
Nová fyzika a tedy i existence supersymetrických částic by se mohla pozorovat i ve vlastnostech částic normální hmoty. Projevila by se v odchylkách jejich pozorovaných parametrů od předpovědí standardního modelu. Nejintenzivněji by se mohly tyto projevy uplatnit ve velice vzácných rozpadech částic (s extrémně malou pravděpodobností), které obsahují ty nejtěžší kvarky. A právě na studium těchto rozpadů se zaměřuje experiment LHCb. Ten zkoumá rozpady mezonů B, které obsahují druhý nejtěžší kvark b. Ukazuje se, že i při stále větším zpřesňování pozorování pro jednotlivé typy rozpadů se stále měření shodují s předpověďmi standardního modelu a dochází ke zmenšování prostoru pro novou fyziku.
| Mezon BS0 v klidu žije sice zhruba jednu a půl pikosekundy. Vůči nám se však po svém vzniku pohybuje rychlostí blízkou rychlosti světla, a tak se tato doba protáhne natolik, že urazí až desítku milimetrů, než se rozpadne (zdroj CERN) |
Jedním z nejcitlivějších pozorování je v současné době studium rozpadu mezonu BS0 na pár mion a antimion. Mezony se vždy skládají z kvarku a antikvarku. Zatímco mezon B0 se skládá z druhého nejtěžšího antikvarku b a druhého nejlehčího kvarku d, mezon BS0 se skládá z antikvarku b a třetího kvarku s. Zatímco hmotnost B0 mezonu je 5,28 GeV/c2, je hmotnost BS0 5,37 GeV/c2. Odlišnost je dána právě rozdílem hmotnosti kvarků s a d. Pro srovnání, hmotnost protonu je 0,94 GeV c2. Doba života mezonu BS0 je zhruba jeden a půl pikosekundy. Za tu dobu by i při rychlosti světla neurazil ani celý milimetr. Ovšem díky speciální teorii relativity se jeho doba života při rychlostech velmi blízkých rychlosti světla natáhne natolik, že urazí až milimetrů desítku i více.
Pak se rozpadne, nejčastěji na částici DS- spolu s jednou nebo více dalšími částicemi. Velmi vzácně se však může rozpadat i na dvojici mionu a antimionu. Mion je částice, která je velice podobná elektronu, jen je zhruba dvěstěkrát těžší. Má stejný náboj a také neinteraguje silnou interakcí, pouze elektromagnetickou a slabou. Proto při velmi vysoké hybnosti, kterou v daném případě má, proniká lehce hmotou a jeho zachycení, detekce a určení jeho hybnosti vyžaduje speciální typ detektorů. A právě takový má i LHCb. Tlusté vrstvy materiálů pohltí všechny ostatní částice a za nimi už lze identifikovat a měřit parametry pronikavých mionů.
| Jeden z dalších rozpadů mezonu BS0 (Experiment LHCb – CERN) |
Výsledky experimentu LHCb
Sestava detektorů experimentu LHCb umožňuje velice přesné vydělení mionů a identifikace částic, jejichž rozpad je vyprodukoval. A velmi efektivně potlačí pozadí jiných částic. I to umožňuje identifikovat velice vzácné případy rozpadů na tyto částice. V našem případě podle předpovědí standardního modelu by na jednu miliardu rozpadů mezonu BS0 měly připadnout pouze tři rozpady na pár mionu a antimionu. To už je hledání opravdu malé jehly ve velké kupě sena. A právě první pozorování a určení pravděpodobnosti tohoto rozpadu se podařilo experimentu LHCb. Ten určil, že na miliardu rozpadů BS0 připadá 3,2 rozpadů na mion a antimion s chybami +1,5 a -1,2 (v případě této malé statistiky jsou chyby nesymetrické). Je tak zde vidět velmi dobrá shoda s předpovědí standardního modelu.
Pokud by platily supersymetrické teorie a existovaly supersymetrické částice, měla by být pravděpodobnost těchto rozpadů mnohem vyšší. Výsledek experimentu LHCb tak vyřazuje řadu nejjednodušších variant těchto teorií a vede k pochybnostem, zda se podaří objevit příznaky nové fyziky v oblasti energií dostupných na LHC. Značně se zmenšuje prostor, kde by se před námi mohly supersymetrické částice skrývat.
| Spektrum invariantních hmotností spočtených ze zachycených párů mionu a antimionu ukazuje pík v místě hmotnosti BS0 mezonu. Velikost píku odpovídá v rozmezí přesnosti předpovědím standardního modelu (Experiment LHCb – CERN). |
Závěr
Měření pravděpodobnosti rozpadu BS0 na pár mion a antimion je jedním z nejcitlivějších testů standardního modelu a projevů nové fyziky. Jeho shoda s předpovědí standardního modelu sice nevylučuje všechny supersymetrické teorie a existenci supersymetrických částic, ale zmenšuje pravděpodobnost jejich objevení pomocí urychlovače LHC. Obrovská síla standardního modelu, jehož předpovědi se potvrdily zatím při všech testech pomocí LHC, začíná být docela frustrující.
Zajímavý se tak stává výsledek práce jednoho z mladých teoretiků z našeho Ústavu jaderné fyziky AVČR Tomáše Braunera, který se svými německými kolegy z Univerzity v Bielefeldu studuje možnosti, jak vysvětlit to, že ve vesmíru vznikl dostatečný přebytek hmoty nad antihmotou. Jak je podrobněji popsáno zde, je k tomu potřeba nejen rozdíl mezi hmotou a antihmotou, ale také narušení tzv. CP symetrie (blíže zde a zde ). To je obsaženo i ve standardním modelu. Zatím se však zdálo, že hlavně při velmi vysokých teplotách, předpokládaných v době vzniku přebytku hmoty nad antihmotou, v nedostatečné míře. V jejich poslední práci se však ukazuje, že v případě vzniku asymetrie při asi stokrát nižších teplotách (zhruba 1013 K), tedy v pozdější fázi rozpínání vesmíru než se doposud předpokládalo, bychom mohli vystačit se standardním modelem a obešli se při vysvětlení vzniku přebytku hmoty nad antihmotou bez nové fyziky. Toto snížení teploty vzniku asymetrie by se v principu mohlo dosáhnout mechanismem tzv. chladné elektroslabé baryogeneze. Experiment LHCb je zaměřen právě na studium asymetrie mezi hmotou a antihmotou a narušení CP symetrie. Právě rozpady velmi těžkých mezonů jsou na tyto jevy citlivé. A určitě nám v této oblasti řekne mnoho nového i při ověřování nové teorie našeho kolegy. Ale o tom podrobněji až v příštím článku.
| Seminář o výsledcích proběhne v CERNu dnes 13. listopadu 2012 v 11:00 a je dostupný zde: https://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=216344 |
Zdroj: https://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#BsMuMu3
