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

„Jeśli wyniki się potwierdzą, będzie to jedno z najważniejszych odkryć w fizyce cząstek”

Recommended Posts

Obliczenia przeprowadzone na Uniwersytecie w Bonn wskazują, że Model Standardowy powinien zostać poszerzony. Nie możemy być tego jeszcze całkowicie pewni. Nasze obliczenia powinny być nieco bardziej precyzyjne. Jeśli jednak uzyskane wyniki się potwierdzą, będzie to jedno z najważniejszych odkryć w fizyce cząstek w ostatnich latach, mówi główny autor badań Chien-Yeah Seng. Ich wyniki zostały właśnie opublikowane na łamach Physics Letters B.

Obowiązujący od kilkudziesięciu lat Model Standardowy opisuje trzy z czterech oddziaływań podstawowych oraz wszystkie znane cząstki. To jedna z najważniejszych teorii fizyki. Oparł się licznym próbom podważenia i wielokrotnie został potwierdzony. Jest modelem świetnie opisującym wszechświat, a jednocześnie wiemy, że jest bardzo niekompletny. Nie opisuje grawitacji, ciemnej materii i ciemnej energii, nie uwzględnia masy neutrino. Bardzo często więc słyszymy o możliwym istnieniu „fizyki poza Modelem Standardowym”. Badania uczonych z Bonn stanowią kolejną – silną – wskazówkę, że fizyka taka istnieje. A naukowcy wywiedli ją z badań nad rozpadem kaonów.

Kaony (mezony K) wchodzą w skład promieniowania kosmicznego. Są niestabilne, szybko dochodzi do ich rozpadu. W Modelu Standardowym rozpad ten opisywany jest za pomocą elementu Vus, a jego wartość można wyliczyć na podstawie eksperymentalnych danych. Problem jednak w tym, że dla różnych rodzajów rozpadu, wartość ta jest różna. To może wskazywać na istnienie zjawisk wykraczających poza Model Standardowy. Jednak nie możemy tego być pewni z trzech powodów.

Po pierwsze, eksperymentalne pomiary mogą być błędne lub niedokładne. Po drugie, obliczenia dokonywane na ich podstawie mogą być niedokładne. Po trzecie zaś – Model Standardowy może się mylić co do kaonów.

Obecnie uważa się, że pierwsza przyczyna problemów z wartością Vus nie wchodzi w rachubę. Potrafimy bowiem z coraz większą precyzją badać Vus, a kolejne eksperymenty dają takie same wyniki.

Wciąż jednak nie wiemy, czy obliczenia Vus na podstawie Modelu Standardowego są prawidłowe. Dzieje się tak, gdyż możemy dokonywać tych obliczeń tylko z pewnym przybliżeniem i tylko za pomocą potężnych superkomputerów. W tej chwili nie dysponujemy maszynami, które pozwoliłyby na precyzyjne obliczenie Vus. Żeby uzyskać pewność, co do prawidłowości obliczeń Vus musielibyśmy zaangażować najpotężniejsze komputery na dziesiątki lat. To nie wchodzi w rachubę. Chcemy jednak wiedzieć, czy możemy wierzyć naszym obliczeniom Vus, bo tylko wtedy będziemy mogli stwierdzić, czy w Modelu Standardowym tkwi błąd, wyjaśnia Seng.

Badacz wraz z kolegami z Bonn zaproponował nową metodę, która znakomicie skraca czas obliczeń. Podzieliliśmy obliczenia Vus na wiele małych fragmentów. Dzięki temu byliśmy w stanie obliczyć wartość Vus dla rozpadu kaonów znacznie szybciej i znacznie dokładniej niż wcześniej było to możliwe, stwierdza naukowiec.

Z obliczeń wynika, że rzeczywiście istnieją rozbieżności w wartościach Vus liczonych na podstawie Modelu Standardowego. To zaś jest silną wskazówką, że na rozpad kaonów wpływ mają zjawiska, których Model Standardowy nie opisuje. Jednak, jak zaznaczono na wstępie, nie możemy być tego całkiem pewni, gdyż obliczenia Senga i jego zespołu wciąż nie są wystarczająco precyzyjne.


« 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
      Podczas ostatnich badań w CERN zdobyto dane, które – jeśli zostaną potwierdzone – będą oznaczały, że doszło do naruszenia Modelu Standardowego. Dane te dotyczą potencjalnego naruszenia zasady uniwersalności leptonów. O wynikach uzyskanych w LHCb poinformowano podczas konferencji Recontres de Moriond, na której od 50 lat omawia się najnowsze osiągnięcia fizyki oraz w czasie seminarium w CERN.
      Podczas pomiarów dokonywanych w LHCb porównywano dwa typy rozpadu kwarków powabnych. W pierwszym z nich pojawiają się elektrony, w drugim miony. Miony są podobne do elektronów, ale mają około 200-krotnie większą masę. Elektron, mion i jeszcze jedna cząstka – tau – to leptony, które różnią się pomiędzy sobą zapachami. Zgodnie z Modelem Standardowym, interakcje, w wyniku których pojawiają się leptony, powinny z takim samym prawdopodobieństwem prowadzić do pojawiania się elektronów i mionów podczas rozpadu kwarka powabnego.
      W roku 2014 zauważono coś, co mogło wskazywać na naruszenie zasady uniwersalności leptonów. Teraz, po analizie danych z lat 2011–2018 fizycy z CERN poinformowali, że dane wydają się wskazywać, iż rozpad kwarka powabnego częściej dokonuje się drogą, w której pojawiają się elektrony niż miony.
      Istotność zauważonego zjawiska to 3,1 sigma, co oznacza, iż prawdopodobieństwo, że jest ono zgodne z Modelem Standardowym wynosi 0,1%. Jeśli naruszenie zasady zachowania zapachu leptonów zostanie potwierdzone, wyjaśnienie tego procesu będzie wymagało wprowadzenie nowych podstawowych cząstek lub interakcji, mówi rzecznik prasowy LHCb profesor Chris Parkes z University of Manchester.
      Rozpad kwarka powabnego prowadzi do pojawienia się kwarka dziwnego oraz elektronu i antyelektronu lub mionu i antymionu. Zgodnie z Modelem Standardowym w procesie tym pośredniczą bozony W+ i Z0. Jednak naruszenie zasady uniwersalności leptonów wskazuje, że zaangażowana w ten proces może być jakaś nieznana cząstka. Jedna z hipotez mówi, że jest to leptokwark, masywny bozon, który wchodzi w interakcje zarówno z leptonami jak i z kwarkami.
      Co istotne, dane z LHCb zgadzają się z danymi z innych anomalii zauważonych wcześniej zarówno w LHCb, jak i obserwowanych od 10 lat podczas innych eksperymentów na całym świecie. Nicola Serra z Uniwersytetu w Zurichu mówi, że jest zbyt wcześnie by wyciągać ostateczne wnioski. Jednak odchylenia te zgadzają się ze wzorcem anomalii obserwowanych przez ostatnią dekadę. Na szczęście LHCb jest odpowiednim miejscem, w którym możemy sprawdzić potencjalne istnienie nowych zjawisk fizycznych w tego typu rozpadach. Musimy przeprowadzić więcej pomiarów.
      LHCb to jeden z czterech głównych eksperymentów Wielkiego Zderzacza Hadronów.Jego zadaniem jest badanie rozpadu cząstek zawierających kwark powabny.
      Artykuły na temat opisanych tutaj badań zostały opublikowane na stronach arXiv oraz CERN.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zderzenia pomiędzy wysoko energetycznymi protonami po raz pierwszy pozwoliły na przyjrzenie się niezwykłym hiperonom. Zaliczane są one do cząstek dziwnych. To bariony zawierające co najmniej jeden kwark dziwny. Hiperony prawdopodobnie występują w jądrach gwiazd neutronowych, zatem ich badanie może sporo zdradzić na temat samych gwiazd oraz środowisk o tak ekstremalnie upakowanej materii.
      Hiperony są hadronami, czyli cząstek złożonych z co najmniej dwóch kwarków. Interakcje pomiędzy hadronami mają miejsce za pośrednictwem oddziaływań silnych. Niezbyt wiele wiemy o oddziaływaniach pomiędzy hadronami, a większość tej wiedzy pochodzi z badan, w których używane są protony i neutrony. Natura oddziaływań silnych powoduje, że bardzo trudno jest czynić w ich przypadku przewidywania teoretyczne. Trudno jest więc teoretycznie badać, jak hadrony oddziałują między sobą. Zrozumienie tych oddziaływań jest często nazywane „ostatnią granicą” Modelu Standardowego.
      Protony, neutrony i hiperony składają się z trzech kwarków. O ile jednak protony i neutrony zbudowane są wyłącznie z kwarków górnych i dolnych, to hiperony zawierają co najmniej jeden kwark dziwny. Badanie hiperonów daje nam zatem nowe informacje na temat oddziaływań silnych.
      Podczas badań naukowcy z CERN, pracujący przy eksperymencie ALICE, przyglądali się wynikom zderzeń wysoko energetycznych protonów, w wyniku których w otoczeniu miejsca kolizji pojawiają się „źródła” cząstek. Dochodzi do interakcji kwarków i gluonów, tworzących nowe cząstki. Powstają też pary hiperonów i protonów. Naukowcy, mierząc korelacje momentów pędu w takich parach zbierają informacje na temat sposobu ich interakcji.
      Interakcje takie można w ograniczonym stopniu przewidywać na podstawie modelowania zachowania kwarków i gluonów. Najnowsze badania wykazały, że przewidywania niemal idealnie zgadzają się z pomiarami.
      Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Lodowce szelfowe mogą zniknąć błyskawicznie, czasami wystarczą minuty lub godziny, by się rozpadły. Proces ten jest napędzany przez wodę, która wdziera się w pęknięcia lodowca. Wiele z lodowców szelfowych znajduje się bezpośrednio przy wybrzeżach Antarktyki i stanowią fizyczną barierę zapobiegającą spływaniu ludowców z lądu do oceanu. Autorzy najnowszych badań, opublikowanych właśnie w Nature, twierdzą, że od 50 do 70 procent antarktycznych lodowców szelfowych jest zagrożonych rozpadem z powodu globalnego ocieplenia.
      Odkryliśmy, że tempo topnienia jest ważne, ale równie ważne jest to, gdzie to topnienie zachodzi mówi główna autorka najnowszych badań, Ching-Yao Lai z Columbia University. Największą zagadką jest to, kiedy lodowiec może się rozpaść, dodaje Christine Dow z kanadyjskiego University of Waterloo, która nie była zaangażowana w najnowsze badania.
      Niektóre z lodowców szelfowych pływają na otwartych wodach i nie mają wpływu na to, co dzieje się z lodowcami na lądzie.
      Jednak lodowce szelfowe znajdujące się np. w zatokach stanowią fizyczną barierę, która spowalnia spływanie do oceanu lodowców z lądu. W takim przypadku na lodowce szelfowe działają potężne siły. Z jednej strony są one poddawane naciskowi ze strony lodu spływającego z lądu, z drugiej strony napierają na ląd, z trzeciej zaś są rozciągane, gdy przemieszczają się na wodzie. W wyniku tych procesów na lodowcach szelfowych pojawiają się liczne pęknięcia. Jeśli nad taki lodowiec napłynie ciepłe powietrze i lodowiec zacznie się topić, pojawi się woda, która będzie wdzierała się w pęknięcia. Może ona błyskawicznie doprowadzić do rozpadu lodowca szelfowego. A w takim wypadku znika bariera między oceanem a lodowcem na lądzie, więc lodowiec może przyspieszyć spływanie do oceanu.
      Naukowcy spekulują, że ofiarą takiego procesu pękania i wdzierania się wody padł lodowiec szelfowy Larsen B, który w 2002 roku w ciągu zaledwie kilku tygodni stracił 3250 km2 powierzchni.
      Lai i jej zespół chcieli wiedzieć, które z lodowców szelfowych są najbardziej narażone na rozpad. Opracowali więc model maszynowego uczenia się, który był trenowany na zdjęciach lodowców z przeszłości. Celem treningu było nauczenie algorytmu rozpoznawania cech charakterystycznych prowadzących do rozpadu lodowców. Algorytm uczono na podstawie zdjęć satelitarnych lodowców szelfowych Larsen C i Jerzego VI. Następnie algorytm zaimplementowano do zdjęć całej Antarktyki.
      Na tej podstawie zidentyfikowali te pęknięcia, które – po uwzględnieniu nacisku wywieranego przez masy lodu oraz ruchy lodowca na wodzie – z największym prawdopodobieństwem będą się powiększały. Teraz uczonych czeka odpowiedź na pytanie, kiedy może dojść do rozpadu poszczególnych lodowców szelfowych. W tym celu naukowcy będą musieli połączyć swój model z modelami klimatycznymi oraz modelami opisującym spływanie lodowców z lądu. Na razie grupa Lai nie jest w stanie zakreślić ram czasowych, w których może dojść do masowego rozpadania się lodowców szelfowych. Jednak inna grupa naukowa już w 2015 roku stwierdziła, że stanie się to w perspektywie najbliższych dekad.

      « 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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      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
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...