Wyniki ogłoszone przez eksperyment LHCb w CERN ujawniły kolejne wskazówki dotyczące zjawisk, których nie da się wyjaśnić za pomocą naszej obecnej teorii fizyki fundamentalnej. W marcu 2020 r. ten sam eksperyment ujawnił dowody na to, że cząstki łamią jedną z podstawowych zasad Modelu Standardowego – naszej najlepszej teorii cząstek i sił – sugerując możliwe istnienie nowych fundamentalnych cząstek i sił.
Teraz, dalsze pomiary przeprowadzone przez fizyków z Laboratorium Cavendish w Cambridge wykazały podobne efekty, zwiększając szanse na istnienie nowej fizyki.
Model Standardowy opisuje wszystkie znane cząstki, z których zbudowany jest wszechświat oraz siły, za pośrednictwem których oddziałują. Jak dotąd przeszedł on wszystkie testy eksperymentalne, a jednak fizycy wiedzą, że model ten jest wciąż niekompletny. Nie uwzględnia siły grawitacji, nie potrafi też wyjaśnić, w jaki sposób materia została wytworzona podczas Wielkiego Wybuchu i nie zawiera żadnej cząstki, która mogłaby wyjaśnić tajemniczą ciemną materię, o której astronomia mówi, że jest pięć razy bardziej obfita niż to, co tworzy otaczający nas świat widzialny.
W rezultacie, fizycy od dawna poszukują oznak fizyki wykraczającej poza Model Standardowy, która mogłaby pomóc nam rozwiązać niektóre z tych tajemnic.
Jednym z najlepszych sposobów poszukiwania nowych cząstek i sił jest badanie cząstek zwanych kwarkami pięknymi. Są one egzotycznymi kuzynami kwarków górnych i dolnych, które tworzą jądro każdego atomu.
Kwarki piękności nie występują w świecie w dużych ilościach, ponieważ są niewiarygodnie krótkotrwałe – żyją średnio zaledwie bilionową część sekundy, zanim przekształcą się lub rozpadną w inne cząstki. Jednak w gigantycznym akceleratorze cząstek w CERN-ie, Wielkim Zderzaczu Hadronów, co roku powstają miliardy kwarków pięknych, które są rejestrowane przez specjalnie skonstruowany detektor o nazwie LHCb.
Na sposób rozpadu kwarków piękności może mieć wpływ istnienie nieodkrytych sił lub cząstek. W marcu zespół fizyków pracujących w LHCb opublikował wyniki świadczące o tym, że kwarki piękności rozpadały się na cząstki zwane mionami rzadziej niż ich lżejsi kuzyni, elektrony. Jest to niemożliwe do wyjaśnienia w Modelu Standardowym, który traktuje elektrony i miony identycznie, poza tym, elektrony są około 200 razy lżejsze od mionów. W związku z tym kwarki piękne powinny rozpadać się na miony i elektrony w równym tempie. Zamiast tego fizycy z LHCb odkryli, że rozpad mionów zachodzi tylko około 85% częściej niż rozpad elektronów.
Różnica pomiędzy wynikiem LHCb a Modelem Standardowym wynosiła około trzech jednostek błędu eksperymentalnego, czyli „3 sigma”, jak to się nazywa w fizyce cząstek elementarnych. Oznacza to, że istnieje tylko jedna na tysiąc szans na to, że wynik jest spowodowany statystycznym błędem.
Zakładając, że wynik jest prawidłowy, najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest to, że nowa siła, która przyciąga elektrony i miony z różną siłą, zakłóca sposób rozpadu kwarków piękności. Jednak, aby mieć pewność, że efekt jest prawdziwy, potrzeba więcej danych, aby zredukować błąd eksperymentalny. Dopiero gdy wynik osiągnie próg „5 sigma”, kiedy istnieje mniej niż jedna na milion szans, że jest on wynikiem przypadku, fizycy cząstek zaczynają uważać go za prawdziwe odkrycie.
Przedstawiony wynik badał dwa nowe rozpady kwarka pięknego z tej samej rodziny rozpadów, które zostały użyte w marcowym wyniku. Zespół znalazł ten sam efekt – rozpady mionowe zachodziły tylko około 70% tak często jak rozpady elektronowe. Tym razem błąd jest większy, co oznacza, że odchylenie wynosi około „2 sigma”, czyli jest nieco ponad 2% szans, że jest to spowodowane statystycznym dziwactwem danych. Chociaż wynik sam w sobie nie jest rozstrzygający, to jednak stanowi dodatkowe wsparcie dla rosnącego stosu dowodów na istnienie nowych fundamentalnych sił, które czekają na odkrycie.
