Cercetătorii încearcă să descopere semnale ale unei noi fizici – dincolo de așa-numitul Model Standard. Experimentul LHCb de la CERN a măsurat dezintegrări ale particulelor (mezoni) care conțin cuarcul b – și au descoperit anomalii care ar putea reprezenta semnale ale unei noi fizici; totuși, este încă prea devreme să fim siguri.

Modelul Standard

La ora actuală teoria noastră care răspunde la întrebarea din ce este făcută lumea, este așa-numitul Model Standard al fizicii particulelor elementare. Acest model include cuarci – din care sunt compuși de exemplu protonii și neutronii – electroni, neutrini, dar și alte particule precum muoni, tauoni, sau bosoni Higgs.

Atomii sunt deci alcătuiți din cuarci (up și down), și electroni.

Modelul Standard explică trei dintre cele patru interacțiuni fundamentale: cea electromagnetică, cea nucleară slabă și cea nucleară puternică.

Există și alte particule, compuse din cuarci mai grei decât up și down, care însă trăiesc foarte puțin – dezintegrându-se în particule mai ușoare. Aceste particule sunt studiate la acceleratoare sau în razele cosmice. De ce anume le studiem? Pe de o parte să înțelegem mai bine Modelul Standard, pe de altă să descoperim „fracturi” ale acestuia.

Dincolo de Modelul Standard

De ce căutăm deci un model dincolo de Modelul Standard? Din mai multe motive: primul dintre acestea ar fi faptul că Modelul Standard nu include gravitația. Această forță – care domină în Univers, fiind responsabilă de structurile care există, nu își găsește locul în Modelul Standard. Un alt motiv este legat de faptul că Modelul Standard nu pare să explice prezența materiei și energie întunecate în univers. Acestea nu sunt explicate nici prin particule compuse din cele care alcătuiesc Modelul Standard, nici prin interacțiuni dintre acestea. Cercetătorii caută deci noi modele; printre acestea se numără teoria corzilor (String Theory) sau Quantum Loop (dar mai sunt și altele). Cum însă teoria fără practică nu prea are valoare – cel puțin în fizică – este nevoie să găsim semnale experimentale ale unei noi teorii.

Noi rezultate la LHCb

În acest context noi analize ale datelor experimentului LHCb de la marele accelerator LHC de la CERN sunt foarte interesante. Deja în martie anul trecut cercetătorii descoperiseră anomalii în dezintegrarea particulelor ce conțin cuarcul b (bottom). Aceste particule, generate milioane și milioane la accelerator, trăiesc extrem de puțin și se dezintegrează în diverse modalități. Printre aceste dezintegrări cercetătorii s-au concentrat pe cele care au în starea finală electroni sau muoni. Teoria actuală, Modelul Standard, susține că particulele cu cuarc b ar trebui să se dezintegreze la fel în aceste stări finale (lepton universality). Deja din martie 2020 s-a demonstrat cum că pare că dezintegrarea în muoni este doar 85% din cea în electroni în starea finală; recent, noi analize de date – publicate în octombrie 2021 – arată că și alte tipuri de dezintegrări, în stări finale care conțin electroni sau muoni, sunt asimetrice. Cele în muoni sunt doar 70% din cele în electroni. Semnificația statistică este însă mică – doar 2 sigma.

Cât de siguri suntem?

Dacă s-ar demonstra că așa stau lucrurile ar fi o revoluție: înseamnă că Modelul Standard nu poate explica rezultatele. Ar fi posibil să existe o a cincea forță – care nu este inclusă în Modelul Standard – care acționează diferit asupra electronilor și muonilor. Semnale ale unei noi fizici! Este însă cazul? Deocamdată nu: semnificația statistică – adică cât de siguri suntem – este încă mică – este nevoie de cel puțin 5 sigma semnificație statistică, și să fim siguri că nu s-au strecurat erori de altă natură în analiză și interpretarea datelor.

Rezultatul este însă interesant și desigur, cu repornirea experimentelor la LHC vom avea mult mai multe date și deci vom putea studia mai bine inclusiv această universalitate prevăzută de Modelul Standard în dezintegrări ale particulelor cu cuarc b în stări finale cu electroni su muoni.

Credit imagine: LHCb online event display

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe