Znakomita większość widocznej materii we Wszechświecie składa się z kwarków. Występują one w dwóch rodzajach. Nazywa się je kwarkami dolnymi i górnymi oraz oznacza literami u i d (od angielskich nazw „up” i „down”). Gdy łączą się, powstają protony i neutrony, z których zbudowane są atomowe jądra. Pozostałą część materii tworzą okrążające jądra elektrony.

Kwarki dolne i górne to tylko jedno pokolenie z całej rodziny kwarków, różniących się przede wszystkim masami. Prócz nich w przyrodzie występują także znacznie cięższe i przez to znacznie mniej trwałe kwarki. Są kwarki dziwne i powabne (oznaczane s i c od „strange” i „charm”) oraz wysokie i niskie, zwane też czasem prawdziwymi i pięknymi (oznaczane t i b od „top” i „bottom” albo „truth” i „beauty”).

Kłopot z kwarkiem b, zwanym niskim lub pięknym

Z kwarkiem b fizyka ma kłopot. W marcu 2020 roku opublikowano analizę wyników danych z detektora LHCb. To jeden z siedmiu eksperymentów używających detektorów cząstek elementarnych do gromadzenia danych w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN.

Według obecnie obowiązujących teorii, zwanych Modelem Standardowym, kwarki b mogą rozpadać się na kwark s (dziwny) oraz dwa elektrony lub na ich 200 razy cięższe odpowiedniki – miony. Okazało się jednak, że w wyniku rozpadu częściej niż przewiduje teoria pojawia się para elektronów. Różnica jest znacząca, bo miony powstawały znacznie rzadziej - było ich 85 proc. oczekiwanej ilości (zamiast w połowie, powstawały w około 42,5 proc. rozpadów). Elektronów powstawało za to proporcjonalnie więcej (około 57,5 procent).

Nie wiadomo, dlaczego tak się dzieje. Model Standardowy, który dobrze opisuje wszystkie znane cząstki i siły fizyczne, zakłada, że w wyniku rozpadu kwarków b elektrony i miony powinny pojawiać się tak samo często.

Nowe analizy wskazują na jeszcze większą różnicę w rozpadzie kwarków b

Badacze z LHCb opublikowali właśnie wyniki kolejnych analiz danych z tego detektora. Tym razem różnica okazała się nawet większa. Coś sprawia, że elektrony pojawiają się częściej niż powinny – miony powstawały tylko w około 35 proc. rozpadów (zamiast w połowie, czyli było to tylko 70 proc. tego, czego się spodziewano). Elektrony pojawiały się znów częściej - w 65 proc. rozpadów (zamiast w połowie).

Trzeba przyznać, że pomiary nie są stuprocentowo pewne. Badacze określają prawdopodobieństwo na zaledwie „dwa sigma”, co oznacza dwa odchylenia standardowe. Czyli istnieje szansa jak jeden do pięćdziesięciu, że uzyskane wyniki są dziełem błędu pomiaru lub przypadku. Ubiegłoroczne marcowe wyniki były pewniejsze, przy trzech odchyleniach standardowych (trzech sigma) niepewność wynosiła jeden do tysiąca.

Fizycy zwykle wstrzymują się z ogłaszaniem odkryć, póki nie mają pewności, że ich wyniki mogą być statystycznym błędem z prawdopodobieństwem jednego do kilku milionów, czyli „pięć sigma”.

Czy za nierówny rozpad kwarku b odpowiada nieznana siła?

Zakładając jednak, że to nie jest błąd - co może sprawić, że kwarki b częściej rozpadają się na elektrony niż miony? Najprostszym wytłumaczeniem jest nowa, nieznana siła, która oddziałuje na elektrony i miony nieco inaczej i przechyla wynik rozpadu kwarków b na korzyść elektronów.

Detektor LHCb był przez dwa lata ulepszany. Niebawem ma zacząć pracę z większą mocą, która pozwoli na częstsze zderzenia cząstek, w wyniku których powstają między innymi kwarki b. Będzie ich można policzyć więcej. Zbieranie danych potrwa zapewne kilkanaście miesięcy, a ich analiza kolejne kilkanaście. Dopiero wtedy okaże się, czy w przyrodzie istnieje nieznana jeszcze siła, czy też wyniki, które na to wskazywały, rozpłyną się we mgle.

Źródła: ArXiv, Cambridge University, The Conversation