CERN naukowcy zaobserwowali rzadki rozpad kaonu na pion i dwa neutrina, co jest znaczącym odkryciem potwierdzającym przewidywania Modelu Standardowego i wskazującym na możliwą nową fizykę.
Fizycy z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, znanej jako CERN, odkryli niezwykle rzadki proces rozpadu cząstek, otwierając nową drogę do poznania fizyki wykraczającej poza nasze zrozumienie interakcji elementów składowych materii.
24 września w ramach współpracy NA62 zaprezentowano na seminarium w CERN EP pierwszą eksperymentalną obserwację ultrarzadkiego rozpadu naładowanego kaonu na naładowany pion i parę neutrino-antyneutrino (K+ → π p+νν).
Potwierdzenie najrzadszego rozkładu
Jest to niezwykle rzadkie zjawisko – Model Standardowy (SM) fizyki cząstek elementarnych, który wyjaśnia, w jaki sposób cząstki oddziałują na siebie, przewiduje, że mniej niż jeden na 10 miliardów kaonów ulegnie rozpadowi w ten sposób. Eksperyment NA62 został zaprojektowany i zbudowany specjalnie do pomiaru rozpadu kaonu.
Cristina Lazzeroni, profesor fizyki cząstek na Uniwersytecie im Uniwersytet w Birminghamskomentował: „Dzięki temu pomiarowi K+ → π p+νν staje się najrzadszym rozpadem ustalonym na poziomie odkrycia – słynnym 5 sigma. Ta trudna analiza jest wynikiem doskonałej pracy zespołowej i jestem niezwykle dumny z tego nowego wyniku.
Rola detektora NA62
Kaony są wytwarzane przez wiązkę protonów o dużej intensywności dostarczaną przez superprotonowy synchrotron CERN (SPS) zderzający się z nieruchomym celem. Tworzy to wiązkę cząstek wtórnych, składającą się z prawie miliarda cząstek na sekundę wlatujących do detektora NA62, z czego około 6% to naładowane kaony. Detektor precyzyjnie identyfikuje i mierzy każdy kaon i produkty jego rozpadu, z wyjątkiem neutrin, które objawiają się jako brakująca energia.
Profesor Giuseppe Ruggiero z Uniwersytetu we Florencji skomentował: „To zwieńczenie długiego projektu rozpoczętego ponad dziesięć lat temu. Poszukiwanie w przyrodzie efektów, których prawdopodobieństwo wystąpienia jest rzędu 10-11, jest fascynujące i wymagające. Po rygorystycznej i żmudnej pracy otrzymaliśmy oszałamiającą nagrodę za nasz wysiłek i dostarczyliśmy długo oczekiwany wynik.
Postęp w technikach wykrywania
Nowy wynik opiera się na połączeniu danych zebranych w ramach eksperymentu NA62 w latach 2021–2022 z wcześniej opublikowanymi wynikami opartymi na zbiorze danych za lata 2016–2018. Zbiór danych za lata 2021–2022 zebrano po szeregu ulepszeń konfiguracji NA62, umożliwiających działanie przy o 30% wyższym natężeniu wiązki z kilkoma nowymi i ulepszonymi detektorami.
Ulepszenia sprzętu w połączeniu z udoskonalonymi technikami analizy umożliwiły zbieranie potencjalnych sygnałów z szybkością o 50% większą niż wcześniej, przy jednoczesnym dodaniu nowych narzędzi do tłumienia tła.
Grupa naukowców z Uniwersytetu w Birmingham, pod przewodnictwem obecnie profesora Evgueni Goudzovski, dołączyła do eksperymentu NA62 na etapie projektowania w 2007 roku, odgrywając kluczową rolę we współpracy.
Profesor Goudzovski skomentował: „Przyciąganie najlepszych talentów i oferowanie odpowiedzialnych stanowisk badaczom rozpoczynającym karierę zawsze było priorytetem grupy. Jesteśmy dumni, że zarówno obecny koordynator fizyki NA62, jak i obecny organizator pomiaru K+ → π p+νν to byli doktoranci z Birmingham. To zaszczyt pracować i kierować tak energicznym i konstruktywnym zespołem”.
Sondowanie nowej fizyki
Zespół badawczy bada rozpad K+ → π p+νν, ponieważ jest on bardzo wrażliwy na nową fizykę wykraczającą poza opis SM. To sprawia, że rozpad jest jednym z najciekawszych procesów poszukiwania dowodów na istnienie nowej fizyki.
Zmierzona część kaonów rozpadających się na pion i dwa neutrina wynosi około 13 na 100 miliardów. Jest to zgodne z przewidywaniami SM, ale jest o około 50% wyższe. Może to być spowodowane pojawieniem się nowych cząstek, które zwiększają prawdopodobieństwo tego rozpadu, ale potrzeba więcej danych, aby potwierdzić ten pogląd. Eksperyment NA62 zbiera obecnie dane, a naukowcy mają nadzieję potwierdzić lub wykluczyć obecność nowej fizyki w tym rozpadzie w ciągu najbliższych kilku lat.
