Hiányos a Standard Modell?

A CERN az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet, a részecskefizikai kutatások európai szervezete, a világ legnagyobb részecskefizikai laboratóriuma. Számos tudományos eredménye közül kiemelkedik a világháló 30 évvel ezelőtti kifejlesztése és a Higgs-bozon 2012-es felfedezése. Magyarország 1992 óta tagja a CERN-nek, az LHC részecskegyorsító több kísérletében is részt vesz.

A CERN Nagy Hadronütköztetőjében (LHC) a részecskefizika Standard Modelljének egyik alapvető elemét, a lepton univerzalitást is vizsgálják. Az ELTE Fizikai Intézet munkatársainak közreműködésével most bizonyítást nyerhet, hogy a Standard Modell kiigazításra szorul. Eredményeik a részecskefizikában áttörésnek számító új alapvető részecskék vagy kölcsönhatások felfedezését is előrevetíthetik.

Az LHCb detektor a b-kvarkok tanulmányozására szakosodott, és az ALICE, az ATLAS és a CMS mellett az egyike a CERN négy óriás kísérletének, amelyek a természet legalapvetőbb kérdéseire keresik a választ. Ha az ősrobbanás egyenlő mennyiségű anyagot és antianyagot termelt, miért áll a mai világegyetem csak anyagból? Mi a sötét anyag? Hogyan köti össze az erős kölcsönhatás az atommagban lévő elemi kvark és gluon részecskéket?

Napjainkban egyre pontosabb méréseknek vetik alá a részecskefizika Standard Modelljét a CERN-ben. A modell egyik érzékeny ellenőrzése az elektronok és nehezebb testvéreik, a müonok és a tau leptonok, vagyis gyűjtőnéven leptonok viselkedését vizsgálja, és azt mutatja, hogy a leptonok viselkedése jelentősen eltérhet a korábban feltételezettől. A Standard Modell szerint ugyanis

a különböző típusú leptonoknak ugyanúgy kellene viselkedniük

(eltekintve a tömegük különbözőségéből adódó hatásoktól). Ezt lepton univerzalitásként is szokás emlegetni.

Az egyre nagyobb adatmennyiség és a mérési technológiák fejlődése segít a fizikusoknak nagy pontossággal bizonyítani, hogy a Standard Modell ezen alapvető eleme kiigazításra szorul-e. A korábbi, részleges adatokon alapuló LHCb mérések már utaltak erre. Az ELTE Fizikai Intézete nemrég csatlakozott a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program támogatásával az LHCb nemzetközi együttműködéshez, így már az ELTE Atomfizikai Tanszék kutatói is hozzájárultak ehhez az izgalmas eredményhez.

Az LHCb célja, hogy pontosan tanulmányozza a c- és b-kvarkok milliárdjainak bomlását. A b-kvarkok élettartama éppen elegendő, hogy az LHCb detektor belsejében tudjuk bomlásaikat tanulmányozni.  A részecskefizika Standard Modellje pontos előrejelzéseket ad a különböző folyamatokra, amelyeket a mérések szinte mindig pontosan igazolnak. Érdekes módon az eddigi kevés kivétel többsége a b-szektorból származik, amelyet együttesen „íz-anomália” néven emlegetnek, mivel a kvarkok típusát (u, d, c, s, b, t) azok ízének mondják. 

A 2021-es Moriond Electroweak konferencián az LHCb Együttműködés a 2011-2018 között gyűjtött összes rendelkezésre álló adattal végzett mérési eredményeket mutatta be, mely szerint a b-kvarkokat tartalmazó B+ részecskék vizsgált bomlásai során

a legkönnyebb elektronok és a nehezebb müon testvéreik jelentősen eltérő számban keletkeznek, azaz sértik a Standard Modell előrejelzését a leptonok egyetemes viselkedésére.

Ez fontos mérföldkő a SM-en túli új fizika keresésében, bár az eredmény statisztikai jelentősége (3,1 szigma) még nem éri el a felfedezéshez megkövetelt bizonyosságot. A jelenlegi pontosság 0,1% körüli esélyt ad arra, hogy a mért adatok összhangban vannak a SM előrejelzésével.

Az LHCb új eredménye, minden eddiginél pontosabban adja meg az elektron-pozitron párokat és a müon-antimüon párokat tartalmazó bomlások gyakoriságának hányadosát: RK = R(B+ →  K+ μ+ μ–) / R(B+ →  K+ e+ e–).  Ez az eredmény arra utal, hogy az elektronok és nehezebb társaik különböző erősséggel vesznek részt a vizsgált folyamatban, ami ellentmond a SM előrejelzésének.

"Ha beigazolódna, hogy a lepton-univerzalitás nem valósul meg a természetben, akkor egy új fizikai folyamatra lenne szükség, például egy új alapvető részecskére vagy kölcsönhatásra – mondja Chris Parkes, az LHCb szóvivője, a Manchesteri Egyetem és a CERN munkatársa. – Folyamatban van más érintett folyamatok tanulmányozása a meglévő LHCb adatok felhasználásával. Izgatottan várjuk, hogy ezek megerősítik-e a jelenlegi érdekfeszítő eredményeket.”

Az RK eredmény szorosan kapcsolódik a b → s kvark átmenetek számos más anomáliájához. Biplab Dey, az ELTE Atomfizikai Tanszék adjunktusa által vezetett ELTE LHCb csoport aktívan részt vesz e folyamatok tanulmányozásában.

A nehéz b- és c-kvark rendszerek mérése új távlatokat nyitott az "egzotikus" hadronok – kvarkokból felépülő ritka összetett részecskék – vizsgálatában, amelyek nem jelennek meg az erős kölcsönhatás jelenlegi hagyományos modelljein belül.  minket körülvevő anyag vagy két (mezon) vagy három (barion) kvarkból felépülő mikrorészecskékből áll, de nem négy vagy öt kvarkból. Az első pentakvark-jelöltek 2015-ös felfedezése az LHCb részéről ezen nem konvencionális anyagformák mintegy öt évtizedes kísérleti kutatásának csúcspontját jelentette. Az alábbi ábra pillanatképet ad az LHC-n felfedezett új (mind hagyományos, mind egzotikus) hadron részecskékről. A felfedezések többségét az LHCb érte el, az új részecskék bonyolult többszörös bomlásának hatékony rekonstrukciója révén.

Kvarkokból álló új részecskék felfedezésének idővonala a Nagy Hadronütköztetőn

E hadronok tulajdonságainak – tömeg, szélesség, spin és paritás – tanulmányozásával a fizikusok megfejthetik azokat a mintázatokat, amelyek végső soron segítenek az erős kölcsönhatás modellezésében. Az ELTE csoport további egzotikus állapotok felkutatását vezeti az LHCb-n, különösen azokra az elemzésekre koncentrálva, amelyek összekapcsolják a hadron spektroszkópiát az íz-anomáliákkal.

Előretekintve, a továbbfejlesztett LHCb detektor a következő évtől kezdi újra az adatgyűjtést, amikor az LHC megkezdi 3. adatgyűjtési periódusát. Ezt további fokozatos fejlesztések követik az elkövetkező tíz évben a nagy intenzitású LHC korszakhoz. A végső cél a jelenleginél körülbelül százszor több adat összegyűjtése, ami lehetővé teszi majd, hogy feloldjuk vagy megerősítsük a megfigyelt íz-anomáliákat, valamint feltérképezzük az egzotikus hadronok teljes spektrumát.

Forrás: ELTE TTK