Model Standardowy do poprawki. Będziemy potrzebować nowej fizyki cząstek elementarnych – mówią naukowcy

W tym artykule:

1. Ile waży bozon W?
2. Gdzie przeprowadzano badania?
3. Jak bardzo wynik różni się od teorii?
4. Czy Model Standardowy jest błędny?

W świecie, który znamy, działają cztery siły natury. Bardziej poprawnie nazywa się je oddziaływaniami podstawowymi. Dwa z nich są nam dobrze znane. To grawitacja i oddziaływania elektromagnetyczne. Nośnikiem tego drugiego są fotony.

Dwie pozostałe siły natury są znacznie lepiej ukryte. Oddziaływania silne wiążą ze sobą cząstki elementarne tworzące materię. Natomiast oddziaływania słabe odpowiadają za rozpad jąder atomowych i związaną z tym radioaktywność.

Model Standardowy skrupulatnie kataloguje wiele rodzajów cząstek elementarnych związanych z poszczególnymi oddziaływaniami. Zgodnie z nim, za oddziaływania słabe odpowiadają tzw. bozony W. Są one związane z różnego typu reakcjami nuklearnymi – w tym zachodzącą wewnątrz Słońca fuzją termojądrową.

Ile waży bozon W?

Bozony W zostały odkryte w 1983 r. Model Standardowy przewidywał ich masę, jednak długo nie udawało się jej potwierdzić eksperymentalnie z odpowiednio dużą dokładnością. Aż do teraz.

Koniec świata? Wchłonie nas żarłoczna bańka

Naukowcy mówią, że wiedzą jak skończy się Wszechświat. Nie dojdzie do kosmicznego rozpadu, zapadnięcia się czy czegoś podobnego. Pożre nas za to... gigantyczny kosmiczny bąbel.

W najnowszym numerze prestiżowego czasopisma naukowego „Science” ukazał się artykuł wyliczający, ile waży bozon W. To efekt dziesięcioletniej pracy aż czterystu naukowców. Co zaskakujące, wynik okazał się niezgodny z przewidywaniami zawartymi w Modelu Standardowym. I to bardzo.

Gdzie przeprowadzano badania?

Danych do obliczeń masy bozonu W dostarczył Tevatron. Tak nazwano akcelerator cząstek elementarnych w amerykańskim ośrodku Fermilab (położonym niedaleko Chicago). Tevatron został zamknięty w 2011 r. Jednak zanim to się stało, badacze zebrali dane pochodzące z 450 bilionów zderzeń cząstek.

Wielki Zderzacz Hadronów odkrył nowe cząstki. Przybliżą nas do odkrycia natury materii?

Zupełnie nową cząstkę – tetrakwark o nazwie X (6900) – odkryto w ośrodku CERN pod Genewą. Cząstka złożona z czterech kwarków może przybliżyć naukowców do odkrycia, w jaki sposób ...

W tej gigantycznej bazie danych znaleziono 4 miliony kandydatów na bozony W. Powstają one w wyniku zderzeń w akceleratorze cząstek o ogromnych energiach. Masa bozonu W zostaje przekształcona na energię produktów rozpadu. Są nimi elektron albo mion, a do tego także neutrino. Nieuchwytne neutrino opuszcza detektor, nie pozostawiając po sobie żadnego śladu. Jednak możliwe jest zmierzenie energii oraz trajektorii dwóch pierwszych cząstek. Na tej podstawie szacuje się masę bozonu W.

Jest to niezwykle trudne, wymaga bowiem wielkiej dokładności. Stąd tak długi czas pracy zespołu opracowującego dane z Tevatronu. Ostateczny wynik, jaki uzyskano, to 80,433 megaelektronowolta (MeV) z błędem plus minus 9 MeV.

Jak bardzo wynik różni się od teorii?

Naukowcy są pewni otrzymanego rezultatu. Wyliczyli, że uzyskali go z dokładnością odpowiadającą ważeniu 350-kilogramowego goryla z błędem plus minus 40 gramów. Problem polega na tym, że ich obliczenie odbiega od założeń Modelu Standardowego dla masy bozonu W aż o siedem sigma.

Niesporczak Schrödingera – polski fizyk wprowadził zwierzę w stan kwantowej superpozycji

Niesporczak to pierwsze w historii wielokomórkowe zwierzę wprowadzone w nieokreślony, kwantowy stan. Czy niesporczak podzielił los słynnego kota Schrödingera?

To ogromna różnica. Sigma to odchylenie standardowe od średniej. Jeśli jakakolwiek zmienna ma rozkład normalny, to praktycznie wszystkie obserwacje (99,7 proc.) mieszczą się w zakresie trzy sigma.

– Gdybyś zliczał rezultaty rzutu monetą, szanse na uzyskanie wyniku pięć sigma wynoszą jak jeden do 3,5 miliona – komentuje Harry Cliff, fizyk cząstek z Cambridge.

Czy Model Standardowy jest błędny?

– Model Standardowy to prawdopodobnie najlepsza teoria naukowa, jaką kiedykolwiek stworzono – mówi Cliff. Wielokrotnie została potwierdzona eksperymentalnie, co powoduje, że wyniku niezgodnego z nią nie można po prostu zignorować. – To jak domek z kart – mówi naukowiec. – Wyjmiesz jedną, a zawali się cała konstrukcja.

Naukowcy wykluczyli istnienie neutrina sterylnego. Dotychczasowe prawa fizyki podważone

Trwający 3 lata eksperyment nie odkrył śladów tzw. neutrina sterylnego. Potwierdził za to, że prawa fizyki nie tłumaczą zaobserwowanych anomalii.

Wiadomo jednak, że Model Standardowy jest nie kompletny. Nie ma w nim bowiem nic o ciemnej materii i ciemnej energii, które tworzą większość Wszechświata. Czy brakuje w nim czegoś jeszcze? – Nasze obliczenia stanowią silną przesłankę wskazującą, iż natura ma dla nas jeszcze sporo w zanadrzu – komentuje Ashutosh Kotwal, fizyk cząstek elementarnych z Uniwersytetu Duke, główny autor pracy o masie bozonu W. Oznacza to, że może być potrzebna zupełnie nowa fizyka.

Źródło: Science.