Znajdź zawartość

Fizycy z Caltechu i CERN-u przeprowadzili badania, które pozwoliły im na obserwowanie niezwykle rzadkich zjawisk fizycznych. Dzięki wykorzystaniu eksperymentu CMS (Compact Muon Solenoid) mogli jako pierwsi w historii obserwować triplety złożone z bozonów W i Z. To bozony cechowania, będące nośnikami oddziaływań słabych, a więc jednego z czterech rodzajów oddziaływań podstawowych (pozostałe to oddziaływanie grawitacyjne, elektromagnetyczne i silne). Różnica pomiędzy bozonami W i Z polega na tym, że bozon Z jest neutralny, a bozony W mają ładunek elektryczny (dodatni lub ujemny). Bozony W i Z są odpowiedzialne za radioaktywność, stanowią podstawowy element procesu termonuklearnego zachodzącego w Słońcu. Do powstania tripletów doszło podczas zderzeń wysokoenergetycznych protonów przyspieszonych do prędkości bliskich prędkości światła. Podczas takich kolizji w niezwykle rzadkich przypadkach – w 1 na 1 000 000 000 000 zderzeń – pojawiają się triplety WWW, WWZ, WZZ i ZZZ. Jak mówi jeden z autorów badań, Zhicai Zhang, takie wydarzenia są 50-krotnie rzadsze niż pojawienie się bozonu Higgsa. Jak mówi główny autor badań, profesor Harvey Newman, obserwacja tych tripletów nie była głównym celem eksperymentów. Jednak dzięki zebraniu danych na temat tego i innych rzadkich zjawisk, naukowcy mogą z coraz większą precyzją testować Model Standardowy. Takie testy są zaś konieczne, jeśli chcemy rozszerzyć nasze pojmowanie fizyki poza ten model. Z obserwacji obrotu i rozkładu galaktyk wiemy, że musi istnieć ciemna materia, która wywiera oddziaływanie grawitacyjne na materię. Jednak ciemna materia nie mieści się w Modelu Standardowym. Nie ma tam miejsca na ciemne cząstki, na grawitację, model ten nie działa w skalach energii wczesnego wszechświata zaraz po Wielkim Wybuchu. Wiemy, że musi istnieć bardziej podstawowa od Modelu Standardowego, nieodkryta jeszcze teoria, mówi Newman. Naukowcy przygotowują obecnie Wielki Zderzacz Hadronów do kolejnej trzyletniej kampanii badawczej, zaplanowanej na lata 2021–2024. Pod jej koniec główne eksperymenty LHC będą zdolne do zbierania 30-krotnie większej ilości danych niż obecnie. Mamy tutaj duży, wciąż niezrealizowany potencjał. Ilość danych, jakie obecnie zbieramy, to jedynie kilka procent tego, co spodziewamy się gromadzić po rozbudowie CMS i LHC do High Luminosity LHC, który ma ruszyć w 2027 roku. Ma on pracować przez 10 lat. Jesteśmy dopiero na początku przewidzianych na 30 lat badań, dodaje Newman. Szczegółowy opis eksperymentu, w ramach którego obserwowano triplety bozonów W i Z, można przeczytać na stronach CERN-u. « powrót do artykułu

Anomalie w rozpadzie radioaktywnym berylu-8 i helu-4 wskazują na istnienie nieznanej dotychczas siły natury. Do takich wniosków doszła grupa amerykańskich fizyków-teoretyków, którzy przeanalizowali dane z eksperymentów prowadzonych od pięciu lat przez fizyków jądrowych z Węgier. Wyniki badań dwóch różnych izotopów zgodnie wskazują na masę i siłę interakcji z hipotetycznym bozonem, który może być nośnikiem piątego rodzaju oddziaływań podstawowych. Zgodnie z Modelem Standardowym istnieją cztery rodzaje oddziaływań podstawowych: grawitacyjne, słabe, elektromagnetyczne oraz silne. Jednak teoretycy od dawna mówią o możliwym istnieniu cząstki będącej nośnikiem piątego rodzaju oddziaływań, zachodzących pomiędzy materią a antymaterią. Attila Krasznahorkay wraz ze swoim zespołem z węgierskiego Instytut Badań Jądrowych (ATOMKI) poszukiwał właśnie tej cząstki. W 2015 roku Węgrzy opublikowali, w dużej mierze zignorowany, artykuł, w którym opisywali swój eksperyment. Polegał on na bombardowaniu litu-7 protonami, by uzyskać w ten sposób jądra berylu-8. Naukowcy mierzyli kąty pomiędzy trajektorami każdego elektronu i pozytonu, do których emisji dochodziło, gdy rozpadał się niestabilny beryl-8. Zgodnie z Modelem Standardowym z czasem powinno dochodzić do zmniejszenia liczby par elektron-pozyton i zwiększania kąta pomiędzy ich trajektoriami. Jednak zespół Krasznahorkaya zauważył, że gdy kąty pomiędzy trajektoriami wynosiły około 140 stopni, dochodziło do nagłego wzrostu liczby emitowanych cząstek. Węgrzy uznali, że niewielka część berylu-8 rozpada się do nieznanej cząstki, której masa wynosi około 17 MeV/c2. Na pracę Węgrów zwrócono uwagę dopiero, gdy Jonathan Feng i jego koledzy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine opublikowali analizę teoretyczną wyników grupy Krasznahorkaya. Amerykańscy teoretycy stwierdzili, że ta nieznana cząstka – jeśli istnieje – nie jest ciemnym fotonem, a czymś, co nazwali protofobowym bozonem cechowania. Ma to być bozon, który jest nośnikiem oddziaływań i łatwiej wchodzi w reakcje z elektronami i neutronami niż z protonami. Jednak taka hipoteza budziła wątpliwości innych fizyków, tym bardziej, że wyników uzyskanych przez Węgrów nie udało się nikomu powtórzyć. Krasznahorkay i jego zespół się nie poddali. Przez dwa lata przebudowywali swój detektor. Powtórzyli eksperymenty i potwierdzili wzrost liczby cząstek przy kącie trajektorii wynoszącym około 140 stopni. Co więcej, zauważyli kolejny taki skok. Tym razem pojawiał się on przy kącie 115 stopni podczas eksperymentów z helem-4. Co ważne, także w tym drugim przypadku obliczenia wskazały na istnienie nieznanej cząstki o masie około 17 MeV/c2. Artykuł na ten temat, opublikowany jesienią 2019 roku, spotkał się z olbrzymim zainteresowaniem. I tutaj znowu do pracy przystąpił Feng i jego koledzy. Amerykanie właśnie opublikowali wyniki swoich obliczeń. Feng oraz Chris Verhaaren i Tim Tait nie tylko sprawdzili, czy uzyskane na Węgrzech wyniki są zgodne, ale wyliczyli też, jaka była siła oddziaływań hipotetycznej cząstki. Amerykanie uznali, że w obu przypadkach rzeczywiście hipotetyczna cząstka oddziaływała z taką samą siłą. W szczególności stwierdzili, że jeśli danych z hipotetycznego protofobowego bozonu cechowania uzyskanego z eksperymentów z berylem-8 użyjemy do obliczenia właściwości hipotetycznej cząstki pojawiającej się w rozpadzie helu-4, to będą one zgodne z obserwacjami. Co więcej, Amerykanie uznali, że nie można uzyskać takiej zgodności za pomocą żadnego innego hipotetycznego nośnika oddziaływań. Jeśli użyjemy jakiejś innej hipotetycznej cząstki proponowanej dla wyjaśnienia tego, co widzimy w rozpadzie berylu-8, to dane takie o wiele rzędów wielkości nie będą się zgadzały z wynikami uzyskanymi w eksperymentach z helem. Mamy tutaj więc wyjątkową zgodność, mówi Feng. Amerykanie stwierdzają, że aby jednoznacznie rozstrzygnąć kwestię ewentualnego znalezienia cząstki będącej nośnikiem piątego rodzaju oddziaływań podstawowych, konieczne jest, by inne grupy uzyskały wyniki takie, jak Węgrzy. Zaproponowali też proste modyfikacje sposobu przeprowadzania eksperymentu, które pozwolą na zebranie dodatkowych informacji. Ponadto precyzyjnie wyliczyli, jakie wartości powinniśmy uzyskać przy analogicznych eksperymentach z węglem-12 i apelują do fizyków, by przeprowadzili eksperymenty z użyciem tego izotopu. Jeśli ich wyniki byłyby zgodne z naszymi teoretycznymi obliczeniami, byłoby to dowodem na odkrycie piątej siły natury, mówią. Specjaliści z MIT-u już rozpoczęli przygotowania do eksperymentów, w ramach których chcą bombardować tantal elektronami. Jeśli uzyskają zgodę i fundusze na badania to ostatecznych wyników powinniśmy spodziewać się w ciągu najbliższych lat. « powrót do artykułu