Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

W LHC prawdopodobnie powstają podwójne pary kwarków t. Pozwolą przetestować Model Standardowy

Recommended Posts

Analiza danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów wskazuje, że w LHC powstają podwójne pary kwark t/antykwark t. Najnowsze odkrycie jest pierwszym krokiem w kierunku przetestowania prawdziwości hipotezy mówiącej, że podwójne pary kwarków t pojawiają się częściej niż wynika to z Modelu Standardowego.

Kwarki t to najcięższe cząstki elementarne. Każdy z nich ma masę podobną do masy atomu wolframu. Jednocześnie, jako że kwarki t są znacznie mniejsze od protonu, oznacza to, iż są najgęstszą formą materii.

Kwarki t powstały podczas Wielkiego Wybuchu, jednak błyskawicznie się rozpadły. Obecnie możemy je uzyskiwać i badać jedynie w akceleratorach cząstek. Pierwsze kwarki t zostały odkryte w 1995 roku w akceleratorze Tevatron w Fermilab. Tevatron był wówczas najpotężniejszym akceleratorem na świecie i można w nim było uzyskać parę kwark t/antykwark t raz na kilka dni. Tevatron – najbardziej zasłużony dla nauki akcelerator cząstek – został wyłączony w 2011 roku, po uruchomieniu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC).

LHC pracuje z 6,5-krotnie większymi energiami niż Tevatron, a do zderzeń dochodzi w nim około 100-krotnie częściej. Dzięki temu w urządzeniach ATLAS i CMS, będących częścią LHC, możliwe jest uzyskiwanie par kwark t/antykwark t co sekundę.

Niedawno naukowcy analizowali dane z eksperymentu ATLAS, by sprawdzić, jak często powstają podwójne pary kwark t/antykwark t. Model Standardowy przewiduje, że powinny one powstawać około 70 000 razy rzadziej niż pojedyncze pary kwark t/antykwark t.

Analizie poddano dane z eksperymentów ATLAS i CMS z lat 2015–2018. Okazało się, że w przypadku eksperymentu ATLAS pewność uzyskiwania tam podwójnych par kwarków t wynosi sigma 4.3, a w przypadku CMS jest to sigma 2.6. Dotychczas uważano, że w obu przypadkach wartość ta wynosi 2.6.

Sigma to miara pewności statystycznej. Fizycy cząstek mówią o odkryciu, gdy wartość sigma wynosi 5 lub więcej. Oznacza to bowiem, że prawdopodobieństwo, iż mamy do czynienia z przypadkową fluktuacją, a nie z prawdziwą obserwacją, wynosi 1:3500000. Wartość sigma 3 oznacza, że prawdopodobieństwo wystąpienia przypadkowej fluktuacji wynosi 1:740. Wówczas mówi się o dowodzie, wymagającym dalszych potwierdzeń obserwacyjnych. Osiągnięcie wartości 4.6 oznacza, że jesteśmy bardzo blisko potwierdzenia, że w LHC powstają podwójne pary kwarków t. A gdy już zostanie to potwierdzone, można będzie sprawdzić, czy częstotliwość ich powstawania jest zgodna z Modelem Standardowym.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy pracujący przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) poinformowali o nowym sposobie używania tego niezwykłego urządzenia badawczego. Eksperyment ATLAS zaobserwował pierwsze zderzenie fotonów, w wyniku którego powstała para bozonów W, będących nośnikami oddziaływań słabych. Okazuje się zatem, że LHC można wykorzystywać też do bezpośrednich badań oddziaływań słabych. Obserwacje potwierdzają jedno z najważniejszych przewidywań teorii dotyczących tych oddziaływań – ich nośniki mogą oddziaływać ze sobą.
      Klasyczna elektrodynamika mówi, że dwa przecinające się promienie światła nie odbiją się od siebie, nie będą się absorbowały lub nawzajem niszczyły. Jednak elektrodynamika kwantowa dopuszcza interakcje pomiędzy fotonami.
      Nie są to pierwsze badania fotonów przeprowadzone przy użyciu LHC. Obserwowano rozpraszanie światła przez światło, kiedy to pary fotonów wchodziły w interakcje tworząc inną parę fotonów. W eksperymencie ATLAS zdobyto pierwsze bezpośrednie dowody takiego rozpraszania.
      Podczas nowych eksperymentów badano zupełnie inne zjawisko. W wyniku interakcji pomiędzy dwoma fotonami pojawiły się dwa bozony W o przeciwnych ładunkach elektrycznych. Już kilka lat temu uzyskano pierwsze wskazówki, że zjawisko takie zachodzi. Potrzeba było jednak więcej danych, by je potwierdzić. Teraz naukowcy zyskali pewność. Wynosi ona bowiem 8,4 sigma, a o odkryciu mówi się już przy poziomie 5 sigma.
      W centralnym detektorze były widoczne tylko produktu rozpadu dwóch bozonów W, elektron i mion. Co prawda pary bozonów W powstają też – i to znacznie częściej – w wyniku interakcji pomiędzy kwarkami i gluonami w zderzających się protonach, jednak w takim przypadku widoczne są jeszcze inne sygnały niż gdy powstają one w wyniku zderzeń fotonów.
      Nowe badania potwierdziły, że bozony cechowania – bozony W, Z i fotony – również wchodzą ze sobą w interakacje. Ich badanie może stać się nowym sposobem testowania Modelu Standardowego.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      CERN informuje, że eksperymenty ATLAS i CMS zdobyły pierwsze dowody wskazujące, że bozon Higgsa rozpada się na dwa miony. Mion to cięższa kopia elektronu, jednej z podstawowych cząstek, z których zbudowany jest cała materia. O ile jednak elektrony są cząstkami pierwszej generacji, to miony należą do generacji drugiej. Rozpad bozonu Higgsa do mionów to rzadkie zjawisko, zachodzące w 1 na 5000 rozpadów. To ważne odkrycie, gdyż wskazuje, że bozon Higgsa wchodzi w interakcje z cząstkami drugiej generacji.
      Według Modelu Standardowego cała materia zbudowana jest z fermionów. Jest ich 12 i dzielą się na 6 kwarków i 6 leptonów. Otaczającą nas materię trwałą tworzą cząstki pierwszej generacji: elektron, neutrino elektronowe, kwark dolny i kwark górny. Druga generacja cząstek to mion, neutrino mionowe, kwark dziwny i kwark powabny. Istnieje jeszcze trzecia generacja fermionów (taon, neutrino taonowe, kwark spodni i kwark szczytowy) oraz 4 bozony cechowania przenoszące oddziaływania i bozon Higgsa, nadający masę cząstkom, z którymi oddziałuje.
      Bozon Higgsa jest przedmiotem intensywnych badań od czasu jego wykrycia w 2012 roku. Jego znalezienie było głównym zadaniem Wielkiego Zderzacza Hadronów. Jedną z podstawowych metod badań jest obserwacja jego rozpadu. Eksperyment CMS wykazał, że bozon Higgsa rozpada się na dwa miony a prawdopodobieństwo takiego wydarzenia wynosi 3 sigma. Oznacza to, że jeśli taki rozpad nie istnieje, to pojawienie się takich danych w CMS wynosi mniej niż 1:700. Z kolei ATLAS wskazał na istnienie rozpadu Higgsa do dwóch mionów z prawdopodobieństwem 2 sigma. Tutaj szanse na otrzymanie fałszywego sygnału to 1:40. Razem z pewnością znacznie przekraczającą 3 sigma można mówić o istnieniu opisanego mechanizmu. Odkrycie ogłasza się przy 5 sigma.
      Wydaje się, że bozon Higgsa wchodzi w interakcje z cząstkami elementarnymi drugiej generacji w sposób zgodny z Modelem Standardowym. Podczas kolejnej kampanii badawczej będziemy uściślali te wyniki, mówi Roberto Carlin, rzecznik prasowy CMS.
      Bozon Higgsa to kwantowa manifestacja pola Higgsa, które nadaje masę cząstkom elementarnym. Mierząc tempo rozpadu bozonu Higgsa w różne cząstki fizycy mogą obliczyć siłę ich interakcji z polem Higgsa. Im szybszy rozpad, tym silniejsze interakcje.
      Dotychczas Wielki Zderzacz Hadronów wykazał, że bozon Higgsa rozpada się w różne bozony, jak W i Z czy cięższe fermiony, jak leptony tau. Zmierzono też interakcje z najcięższymi kwarkami, górnym i spodnim. Miony są znacznie lżejsze, więc słabiej reagują z polem Higgsa.
      Pomiary bozonu Higgsa osiągnęły wyższy poziom precyzji, dzięki czemu możemy badać rzadsze sposoby rozpadu, mówi Karl Jakobs, rzecznik prasowy eksperymentu ATLAS.
      Poważnym problemem w prowadzeniu opisywanych tutaj badań jest fakt, że na każdy bozon Higgsa rozpadający się na dwa miony przypadają tysiące par mionów powstających w wyniku innych procesów. Charakterystyczną sygnaturą bozonu Higgsa po rozpadzie do mionów jest niewielki nadmiar mas par mionów przy energii 125 GeV, czyli masie bozonu Higgsa. Wyizolowanie tego rozpadu nie jest łatwe. By to zrobić naukowcy musieli mierzyć energię, pęd oraz moment pędu mionów.
      Specjaliści spodziewają się, że dzięki kolejnym kampaniom badawczym oraz wykorzystaniu w przyszłości High-Luminosity LHC można będzie mówić o osiągnięciu pewności (5 sigma) i odkryciu, że bozon Higgsa rozpada się do mionów.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Japoński akcelerator cząstek SuperKEKB pobił światowy rekord jasności. Pracujący przy nim naukowcy obiecują, że to dopiero początek. W ciągu najbliższych lat chcą zwiększyć jasność urządzenia aż 40-krotnie, co ma pozwolić zarówno na odkrycie ciemnej materii, jak i wyjście z fizyką poza Model Standardowy. Mamy nadzieję, że akcelerator pozwoli nam wykryć ciemną materię – o ile ona istnieje – i badać ją w niedostępny obecnie sposób, mówi profesor Kay Kinoshita z University of Cincinnati.
      Jasność akceleratora to liczba kolizji, która w nim zachodzi. Podczas tych zderzeń powstają nowe cząstki. Im więc więcej zderzeń, tym więcej cząstek, więcej danych i większa szansa n a zarejestrowanie czegoś nowego.
      SuperKEKB zderza pozytony i elektrony przyspieszane w 3-kilometrowym tunelu. Akcelerator został uruchomiony w 2018 roku i naukowcy ciągle pracują nad zwiększaniem jego jasności. Profesor Alan Schwartz i jego studenci z University of Cincinnati zaprojektowali i zbudowali jeden z detektorów akceleratora. To krok milowy w projektowaniu akceleratorów. SuperKEKB wykorzystuje architekturę tzw. „nano strumieni”. W technice tej strumienie cząstek są ściskane wzdłuż osi pionowej, dzięki czemu są bardzo cienkie, wyjaśnia Schwartz. To pierwszy na świecie akcelerator, który korzysta z tej techniki.
      Ze względu na rozmiary cząstek, szansa, że dojdzie do zderzenia, jest niewielka. Im bardziej ściśnięty strumień, tym większe zagęszczenie cząstek i tym większe prawdopodobieństwo zderzeń. Obecnie wysokość wiązki w punkcie zderzenia wynosi 220 nanometrów. W przyszłości ma to być zaledwie 50 manometrów, czyli około 1/1000 grubości ludzkiego włosa.
      Profesor Kay Kinoshita poświęciła całą swoją naukową karierę zagadnieniu zwiększania jasności akceleratorów. Uczona pracuje nad tym zagadnieniem od 1982 roku. To bardzo interesujące, gdyż jest bardzo wymagające. Wiesz, że robisz coś, czego nikt nigdy nie zrobił, mówi.
      Poprzednik SuperKEKB, akcelerator KEKB, który działał w latach 1999–2010 w KEK (Organizacja Badań nad Akceleratorami Wysokich Energii), również był światowym rekordzistą. Urządzenie pracowało z jasnością 2,11x1034 cm-2s-1. Dopiero w 2018 roku rekord ten został pobity przez Wielki Zderzacz Hadronów, który osiągnął jasność 2,14x1034 cm-2s-1. Rekord LHC nie utrzymał się długo, dnia 15 czerwca 2020 roku SuperKEKB osiągnął jasność 2,22x1034 cm-2s-1. Już tydzień później, 21 czerwca naukowcy poinformowali o nowym rekordzie. Teraz SuperKEKB pracuje z jasnością wynoszącą 2,40x1034 cm-2s-1.
      W ciągu najbliższych lat jasność SuperKEKB ma wzrosnąć 40-krotnie. Docelowo ma ona wynieść 8x1035 cm-2s-1.
      Sukces SuperKEKB to sukces międzynarodowej współpracy. Nadprzewodzące magnesy, które ostatecznie skupiają strumienie cząstek zostały zbudowane we współpracy z amerykańskimi Brookhaven National Laboratory oraz Fermi National Accelerator Laboratory. Systemy monitorowania kolizji to dzieło SLAC National Accelerator Laboratory i University of Hawaii. Naukowcy ze Szwajcarii (CERN), Francji (IJCLab), Chin (IHEP) i USA (SLAC) biorą udział w pracach i badaniach, w których wykorzystywany jest akcelerator. Wykorzystujący diament system monitorowania promieniowania oraz system przerywania wiązki to dzieło włoskich Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej oraz Uniwersytetu w Trieście, a system monitorowania jasności powstał w Rosji.
      Wiązki elektronów i pozytonów rozpędzane w SuperKEKB zderzają się w centrum detektora Belle II, który opisywaliśmy przed 2 laty. To niezwykłe urządzenie zostało zbudowane przez grupę 1000 fizyków i inżynierów ze 119 uczelni z 26 krajów świata. I to właśnie wewnątrz Belle II naukowcy mają nadzieję znaleść ciemną materię i rozpocząć badania jej właściwości.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Międzynarodowy zespół tropiący neutrina "nowej fizyki" skonfrontował dane ze wszystkich istotnych eksperymentów powiązanych z rejestracją neutrin z rozszerzeniami Modelu Standardowego proponowanymi przez teoretyków. Najnowsza analiza, pierwsza o tak kompleksowym zasięgu, ukazuje skalę wyzwań stojących przed poszukiwaczami prawoskrętnych neutrin, ale też niesie i iskierkę nadziei.
      We wszystkich zaobserwowanych procesach z udziałem neutrin cząstki te wykazują się cechą nazywaną przez fizyków lewoskrętnością. Neutrin prawoskrętnych, będących naturalnym dopełnieniem Modelu Standardowego, nie widać nigdzie. Dlaczego? Na to pytanie pomaga odpowiedzieć najnowsza, wyjątkowo kompleksowa, analiza, przeprowadzona przez międzynarodową grupę fizyków, w tym z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Po raz pierwszy przy użyciu najnowocześniejszych metod statystycznych uwzględniono tu dane ze wszystkich istotnych eksperymentów pośrednio i bezpośrednio dedykowanych rejestrowaniu neutrin i skonfrontowano je z zakresami parametrów narzucanych przez różne rozszerzenia teoretyczne Modelu Standardowego.
      Pierwszą cząstkę subatomową, elektron, zaobserwowano ponad 120 lat temu. Od tego czasu fizycy odkryli ich całe zoo. Bogactwo cegiełek natury wyjaśniono przy założeniu, że świat materii składa się z masywnych kwarków, występujących w sześciu odmianach, oraz znacznie mniej masywnych leptonów, także sześciu rodzajów. Do leptonów zakwalifikowano elektron, mion (o masie 207 razy większej od masy elektronu), taon (3477 mas elektronu) i odpowiadające im trzy rodzaje neutrin.
      Neutrina niezwykle słabo oddziałują z resztą materii. Wykazują też inne cechy o szczególnym znaczeniu dla kształtu współczesnej fizyki. Niedawno odkryto, że cząstki te oscylują, czyli nieustannie przekształcają się z jednego rodzaju w inny. Zjawisko to oznacza, że obserwowane neutrina muszą mieć pewną (choć bardzo małą) masę. Tymczasem Model Standardowy, czyli współczesne narzędzie teoretyczne ze znakomitą dokładnością opisujące cząstki subatomowe, nie pozostawia alternatyw: w jego ramach neutrina nie mogą mieć masy! Ta sprzeczność między teorią a doświadczeniem jest jedną z najsilniejszych wskazówek przemawiających za istnieniem nieznanych cząstek subatomowych. Masa neutrin nie jest jednak ich jedyną zastanawiającą właściwością.
      O obecności neutrin dowiadujemy się, obserwując produkty rozpadów różnych cząstek i porównując to, co zarejestrowaliśmy, z tym, co przewiduje teoria. Okazuje się, że we wszystkich procesach świadczących o obecności neutrin cząstki te zawsze miały tę samą skrętność: 1/2, czyli były lewoskrętne. To ciekawe, bo pozostałe cząstki materii mogą być zarówno lewo-, jak i prawoskrętne. Lecz nigdzie nie widać neutrin prawoskrętnych, o spinie -1/2! Jeśli nie istnieją, to dlaczego? A jeśli istnieją, gdzie się chowają? - pyta dr hab. Marcin Chrząszcz (IFJ PAN).
      Artykuł międzynarodowego zespołu fizyków, właśnie opublikowany w czasopiśmie The European Physical Journal C, przybliża nas do odpowiedzi na powyższe pytania. Naukowcy z IFJ PAN, European Organization for Nuclear Research (CERN, Genewa), Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, Belgia), Monash University (Melbourne, Australia), Technische Universität München (Niemcy) i University of Amsterdam (Holandia) przeprowadzili jak do tej pory najdokładniejszą analizę danych zebranych w kilkunastu najbardziej wyrafinowanych eksperymentach z zakresu fizyki subatomowej, zarówno tych o charakterze ogólnym, jak też bezpośrednio dedykowanych obserwacjom neutrin (m.in. PIENU, PS-191, CHARM, E949, NuTeV, DELPHI, ATLAS, CMS).
      Badacze nie ograniczyli się do samego zwiększenia liczby eksperymentów i ilości przetworzonych danych. W swojej analizie uwzględnili możliwość występowania hipotetycznych procesów proponowanych przez teoretyków, a wymagających obecności neutrin prawoskrętnych. Jednym z nich był mechanizm huśtawki, związany z neutrinami Majorany.
      W 1937 roku Ettore Majorana zapostulował istnienie cząstki materii będącej własną antycząstką. Taka cząstka nie mogłaby mieć ładunku elektrycznego. Ponieważ z wyjątkiem neutrin wszystkie cząstki materii przenoszą ładunek elektryczny, nową cząstką może być właśnie neutrino.
      Z teorii wynika, że jeśli neutrina Majorany istnieją, to może również istnieć mechanizm huśtawki. Powodowałby on, że gdy neutrina o jednej skrętności są mało masywne, to neutrina o skrętności przeciwnej muszą mieć bardzo duże masy. Skoro więc nasze neutrina, lewoskrętne, mają znikome masy, to w wersji prawoskrętnej musiałyby być masywne. To tłumaczyłoby, dlaczego ich dotychczas nie zobaczyliśmy - mówi dr hab. Chrząszcz i dodaje, że takie neutrina są jednym z kandydatów na ciemną materię.
      Analiza, przeprowadzona z użyciem specjalistycznego pakietu open source GAMBIT, uwzględniała wszystkie aktualnie dostępne dane doświadczalne oraz zakresy parametrów przewidziane przez różne mechanizmy teoretyczne. Pod względem numerycznym była karkołomna. Sam mechanizm huśtawki powodował, że przy obliczeniach należało operować liczbami zmiennopozycyjnymi nie o podwójnej, a o poczwórnej precyzji. Ostatecznie objętość danych sięgnęła 60 TB. Analizę trzeba było przeprowadzić w najszybszym polskim klastrze obliczeniowym Prometheus, zarządzanym przez Akademickie Centrum Komputerowe Cyfronet Akademii Górniczo-Hutniczej.
      Wyniki analizy, po stronie polskiej finansowanej z grantów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej, nie napawają optymizmem. Okazało się, że mimo wielu eksperymentów i ogromnej ilości zgromadzonych danych, przestrzeń możliwych parametrów została spenetrowana w niewielkim stopniu.
      Być może prawoskrętne neutrina odkryjemy w eksperymentach, które rozpoczną się lada chwila. Jeśli jednak będziemy mieć pecha i prawoskrętne neutrina kryją się w najdalszych zakamarkach przestrzeni parametrów, na ich odkrycie możemy poczekać nawet i sto lat - mówi dr hab. Chrząszcz.
      Na szczęście pojawił się też cień nadziei. W danych wychwycono ślad potencjalnego sygnału, który można byłoby wiązać z prawoskrętnymi neutrinami. Na obecnym etapie jest on bardzo słaby i ostatecznie może się okazać tylko statystyczną fluktuacją. Lecz co by się stało, gdyby nią nie był?
      W takim przypadku wszystko wskazuje na to, że prawoskrętne neutrina dałoby się zaobserwować już w następcy LHC, akceleratorze Future Circular Collider. FCC ma jednak pewną wadę: rozpocząłby pracę mniej więcej 20 lat od zatwierdzenia, do czego w optymalnym wariancie może dojść latem tego roku. Jeśli nie dojdzie, nim zobaczymy prawoskrętne neutrina, będziemy musieli się uzbroić we wręcz gigantyczną cierpliwość - podsumowuje dr hab. Chrząszcz.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...