Kaony jako okno na nową fizykę
Japońscy fizycy odnotowali cztery przypadki specyficznego rozpadu kaonów neutralnych. Według obowiązujących teorii takich zdarzeń powinno być statystycznie bliskie zera – około 0,1 w całej próbce badawczej. Tymczasem pojawiły się cztery. To może nie brzmi imponująco, ale w skalach mikroświata to różnica kolosalna. Jak wyjaśniają autorzy publikacji zamieszczonej w Physical Review Letters, to, co zaobserwowali, jest o około dwa rzędy wielkości większe niż przewidywania modelu standardowego. Różnica jest na tyle znacząca, że trudno ją zbyć jako statystyczny błąd pomiarowy.
Czytaj też: Przełom w eksperymencie MARATHON. Naukowcy dokonali najbardziej precyzyjnego pomiaru struktury nukleonu
Neutralne kaony to szczególna kategoria mezonów. W eksperymencie KOTO badano ich rozpad na neutralny pion oraz parę neutrino-antyneutrino. Proces ten jest niezwykle rzadki w modelu standardowym, co czyni go idealnym narzędziem do poszukiwań nowych zjawisk fizycznych.
W tym przypadku oczekiwanie na szum jest bardzo niskie, więc nawet jedno zdarzenie lub obserwacja jest bardzo uderzająca. A w tym przypadku były cztery — wyjaśnia Kohsaku Tobioka, współautor badania
Rzadkie rozpady kaonów stanowią czuły detektor nowych zjawisk fizycznych, ponieważ każde odchylenie od przewidywań może więc wskazywać na obecność nieznanych dotąd procesów lub cząstek.
Trzy możliwe wyjaśnienia anomalii i sprzeczności z innymi eksperymentami
Naukowcy rozważają kilka scenariuszy mogących tłumaczyć zaobserwowane zjawisko. Pierwszy zakłada istnienie nowej fizyki, np. nieznanych jeszcze cząstek lub oddziaływań, które wzmacniają sygnał przewidywany przez model standardowy. Drugi pomysł jest jeszcze bardziej odważny, ponieważ sugeruje, że to, co interpretujemy jako parę neutrino-antyneutrino, może w rzeczywistości być nową, lekką cząstką o długim czasie życia. To wymagałoby zasadniczej reinterpretacji dotychczasowych założeń. Trzecia hipoteza dotyczy możliwości produkcji cząstki aksjonopodobnej w stałej tarczy, która następnie rozpadałaby się w komorze próżniowej eksperymentu. Taka cząstka musiałaby mieć czas życia około 0,01 nanosekundy.
Wyniki KOTO stoją w wyraźnej sprzeczności z danymi z innych badań, szczególnie eksperymentu NA62, który bada rozpad naładowanych kaonów i pozostaje zgodny z modelem standardowym. To tworzy interesujący paradoks w interpretacji danych. Sytuację komplikuje dodatkowo zasada Grossmana-Nira, która nakłada silne ograniczenia na relacje między różnymi rozpadami kaonów. Jej naruszenie przez nową fizykę uważane jest za niezwykle trudne do osiągnięcia. Należy też rozważyć możliwość, że zaobserwowane sygnały to po prostu szum pomiarowy. Jeden z czterech sygnałów może pochodzić z aktywności w górnej części detektora, lecz pozostałe trzy wyraźnie różnią się od znanych źródeł zakłóceń.
Czytaj też: Naukowcy przypadkowo stworzyli wodorek złota. To odkrycie zmienia reguły gry w chemii ekstremalnej
Eksperyment KOTO stanowi część szerszych badań nad symetrią CP – fundamentalną własnością decydującą o asymetrii między materią a antymaterią we wszechświecie. Zrozumienie tej nierównowagi pozostaje jednym z największych wyzwań współczesnej fizyki. Odkryte anomalie mogą być pierwszym sygnałem fizyki wykraczającej poza Model Standardowy. Jeśli kolejne badania potwierdzą te obserwacje, czeka nas prawdopodobnie największa rewizja podstaw fizyki cząstek od dziesięcioleci. Pytanie tylko, czy tym razem to naprawdę coś przełomowego, czy kolejna ślepa uliczka w poszukiwaniu nowej fizyki.