Świat maleńkiego maleńkiego królestwa kwantowego może mieć ulubiony smak.
Oczywiście nie mówimy o drobnoziarnistych rożkach do lodów. Świat cząstek podzielony jest na trzy obozy, zwane „smakami” (nie pytaj dlaczego). Na przykład elektrony reprezentują jeden smak, a są dwie inne cząstki o prawie identycznych właściwościach, mion i tau, które mają swoje własne smaki. Od dawna podejrzewaliśmy - ale nie udowodniono - że wszystkie trzy smaki powinny być na równi.
Ale, niestety, lata eksperymentów zderzeniowych zaczynają sugerować, że być może nie wszystko jest równe.
Wyniki tych eksperymentów są wciąż niepewne i niewystarczająco znaczące, aby twierdzić, że odkryto pęknięcie biblii fizyki cząstek zwanej modelem standardowym. Jednak jeśli wyniki utrzymają się, może to otworzyć bramę do zrozumienia wszystkiego, od ciemnej materii do początków wszechświata. Wiesz, główne nierozwiązane problemy we współczesnej fizyce.
Standardowe smaki
Standardowy model fizyki cząstek rządzi najwyższy, z powodzeniem przechodząc próby testów z eksperymentów na całym świecie w ciągu dziesięcioleci. Teoria ta jednoczy nasze rozumienie trzech z czterech podstawowych sił wszechświata - elektromagnetyzmu, silnego jądrowego i słabego jądrowego - pod jednym sztandarem kwantowym. Podsumowując, jest to najlepiej sprawdzona teoria w całej nauce, która jest w stanie wyjaśnić szeroką gamę podstawowych interakcji.
Innymi słowy, po prostu nie zadzierasz z modelem standardowym.
A jednak wiemy, że ten obraz świata subatomowego jest daleki od ideału. Wystarczy wymienić kilka przykładów, nie tłumaczy to masy neutrin ani nie daje nam pojęcia o ciemnej materii. Przytłaczająca większość fizyków uważa, że istnieje inna, jak dotąd nieznana, teoria, która obejmuje wszystko, co Model Standardowy jest w stanie wyjaśnić i czego nie potrafi.
Najważniejsze jest to, że nie wiemy, jak ta teoria wygląda ani jakie przewidywania może ona poczynić. Więc nie tylko nie znamy pełnych odpowiedzi na życie, wszechświat i wszystko pomiędzy, ale także nie wiemy, jak uzyskać te odpowiedzi.
Aby znaleźć wskazówki do „A Better Theory”, badacze poszukują niedoskonałości lub fałszywych prognoz Modelu Standardowego - pęknięcie w tej teorii może otworzyć drzwi do czegoś większego.
Jedna z wielu prognoz Modelu Standardowego dotyczy natury leptonów, które są małymi, samotnymi cząsteczkami, takimi jak elektrony lub kwarki. Leptyny są pogrupowane w trzy klasy, znane jako pokolenia lub smaki w zależności od tego, którego fizyka zapytasz. Cząstki o różnych smakach będą miały te same właściwości, z wyjątkiem tego, że mają różne masy. Na przykład elektron, mion i cząsteczka tau mają ten sam ładunek elektryczny i spin, ale mion przeważa elektron, a tau tym bardziej - mają różne smaki.
Według Modelu Standardowego te trzy smaki elektronu powinny zachowywać się dokładnie tak samo. Fundamentalne interakcje powinny dawać każdą z nich z jednakowym prawdopodobieństwem; natura po prostu nie potrafi odróżnić ich, więc tak naprawdę nie faworyzuje jednego smaku nad drugim.
Jeśli chodzi o trzy smaki, natura przyjmuje podejście neapolitańskie: wszystkie.
Piękny wynik
To wszystko teoria, dlatego należy ją przetestować. Z biegiem lat różne eksperymenty, takie jak te przeprowadzane w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN i obiekcie BaBar, w których podstawowe cząstki zostają zmiażdżone w masowych zderzeniach. Powstałe cząstki powstałe w wyniku tych zderzeń mogą dostarczyć wskazówek, jak natura działa na najgłębszych poziomach. Niektóre z tych kolizji mają na celu sprawdzenie, czy natura lubi jeden smak leptonów nad innymi.
W szczególności jeden rodzaj cząsteczki, zwany dolnym kwarkiem, naprawdę lubi rozkładanie się do leptonów. Czasami staje się elektronem. Czasem mion. Czasem tau. Ale bez względu na wszystko, wszystkie trzy smaki mają równe szanse na wyjście z wraku.
Fizom udało się zgromadzić setki milionów takich rozpadów kwarków dennych, a kilka lat temu w danych pojawiło się coś dziwnego: natura wydawała się faworyzować cząsteczki tau w tych interakcjach nieco bardziej niż inne leptony. Nie było to jednak istotne statystycznie, więc łatwo było odrzucić te wyniki jako zwykły statystyczny przypadek; być może po prostu nie wyczerpaliśmy wystarczającej liczby kolizji, aby wszystko się wyrównało.
Ale z biegiem lat wynik utknął, jak zauważa fizyk Antonio Pich z Uniwersytetu w Walencji w Hiszpanii, w przeglądzie tych badań opublikowanym w bazie danych przedruku arXiv w listopadzie. Natura wygląda na upartą, jeśli chodzi o pozorne faworyzowanie cząsteczki tau. Wynik wciąż nie jest rozstrzygający, ale jego upór na przestrzeni lat i podczas różnych eksperymentów sprawił, że stał się prawdziwym drapieżnikiem.
Nietypowy model
W Modelu Standardowym różne smaki leptonów uzyskują… no cóż, smak… poprzez interakcje z bozonem Higgsa: im bardziej smak oddziałuje z Higgsem, tym większa jest jego masa. Ale w przeciwnym razie natura nie rozróżnia między nimi, stąd prognoza, że wszystkie smaki powinny pojawiać się jednakowo we wszystkich interakcjach.
Ale jeśli te tak zwane „anomalie smakowe” są rzeczywiście prawdziwą cechą naszego wszechświata, a nie tylko jakimś błędem w gromadzeniu danych, to potrzebujemy jakiegoś sposobu wyjaśnienia, dlaczego natura powinna bardziej troszczyć się o cząstkę tau niż elektron lub mion. Jedną z możliwości jest to, że latać może więcej niż jeden rodzaj bozonu Higgsa - jeden zapewniający masy elektronu i mionu, a drugi szczególnie lubi tau, pozwalając mu częściej wyskakiwać z interakcji.
Inną możliwością jest to, że istnieją dodatkowe cząsteczki, które rozmawiają z tau - cząstki, których nie widzieliśmy jeszcze w eksperymentach. A może istnieje jakaś fundamentalna symetria natury, która ujawnia się tylko poprzez szepty reakcji leptonów - innymi słowy, jakaś nowa siła natury, która pojawia się tylko w tych niejasnych, rzadkich interakcjach.
Aż do momentu, gdy dowody będą się trzymać (w tej chwili statystyczna istotność tej różnicy wynosi około 3-sigma, co stanowi 99,3% szansy, że wynik ten jest tylko fartem, podczas gdy „złoty standard” dla fizyki cząstek to 5-sigma, lub 99,97%), nie możemy być tego pewni. Ale jeśli dowody się zaostrzą, moglibyśmy potencjalnie wykorzystać ten nowy wgląd, aby znaleźć nową fizykę poza modelem standardowym, otwierając możliwość wyjaśnienia tego, co obecnie jest niewytłumaczalne, takie jak fizyka bardzo wczesnego wszechświata lub cokolwiek się dzieje z ciemną materią.
