DVIJE skupine fizičara koje rade na Velikom hadronskom sudaraču u CERN-u objavile su rezultate koji ne mogu biti objašnjeni postojećom teorijom fundamentalne fizike.

Veliko uzbuđenje među fizičarima

Kako piše New Scientist, u pola sedam navečer 20. siječnja 2021., usred tmine dugog zimskog lockdowna, mali tim znanstvenika uključio je Zoom kako bi podijelio trenutak za koji su znali da bi mogao zauvijek promijeniti fiziku. "Doslovno sam se tresao", rekao je Mitesh Patel s Imperial Collegea u Londonu.

On i njegov tim upravo su se spremali objaviti dugo očekivano mjerenje iz eksperimenta Velikog hadronskog sudarača beauty (LHCb) u CERN-ovom laboratoriju za fiziku čestica pokraj Ženeve u Švicarskoj koje bi konačno moglo srušiti standardni model, trenutno naše najbolje tumačenje temeljne prirode svijeta.

Nepoznata, nova sila prirode?

Mjerenje se odnosi na subatomske čestice poznate kao kvarkovi ljepote. Tijekom posljednjih nekoliko godina, njihovo je ponašanje dalo naslutiti postojanje neke sile izvan našeg uobičajenog razumijevanja fizike. U novim eksperimentima nakon toga nagovještaji istog neobičnog ponašanja samo se nastavljaju učvršćivati pa uzbuđenje među znanstvenicima raste.

Ako se ti kvarkovi doista ponašaju onako kako se čini, to bi moralo značiti da postoji još neka nepoznata sila prirode, što bi pak moglo ukazivati na novu ujedinjenu teoriju čestica i sila koja je svojevrstan sveti gral fizike.

Standardni model opisuje sve poznate čestice od kojih je sastavljena vidljiva materija u svemiru kao i sile kroz koje one djeluju. On je potvrđen u brojnim eksperimentima do danas, međutim fizičari znaju da mora biti nepotpun. Naime, on ne uključuje silu gravitacije, a također ne može objasniti kako je materija nastala tijekom Velikog praska, odnosno zašto je prevladala materija nad antimaterijom.

Osim toga, on ne sadrži česticu koja bi mogla objasniti tajanstvenu tamnu tvar koja gravitacijom drži na okupu galaksije da se ne razlete tijekom rotacije – vidljive tvari jednostavno nema dovoljno za to. Astronomska mjerenja kažu da bi masa te tamne tvari u svemiru morala biti čak pet puta veća od ukupne mase vidljive materije.

Fizika izvan standardnog modela

Zbog ovih nedostataka standardnog modela fizičari već dugo traže naznake fizike izvan standardnog modela koja bi mogla pomoći u rješavanju nekih od ovih misterija. Jedan od najboljih načina za traženje novih čestica i sila je proučavanje kvarkova ljepote. To su egzotični rođaci kvarkova gore i dolje koji sačinjavaju jezgre svih atoma.

Kvarkovi ljepote ne postoje u velikom broju u stvarnom svijetu jer su nevjerojatno kratkog vijeka - preživljavaju u prosjeku samo trilijunti dio sekunde prije nego što se transformiraju ili raspadnu u druge čestice. Međutim, CERN-ov divovski akcelerator čestica LHC svake godine proizvodi na milijarde kvarkova ljepote koje bilježi detektor nazvan LHCb, ali i neki drugi detektori.

Na način na koji se raspadaju kvarkovi ljepote može utjecati postojanje neotkrivenih sila ili čestica. U ožujku je tim fizičara koji rade na LHCb-u objavio rezultate koji pokazuju da se kvarkovi ljepote u jednoj određenoj vrsti rjeđe raspadaju na čestice zvane mioni nego na njihove lakše rođake, elektrone.

To je nemoguće objasniti standardnim modelom, koji identično tretira elektrone i mione, osim činjenice da su elektroni oko 200 puta lakši od miona. Drugim riječima, kvarkovi ljepote trebali bi se raspadati na mione i elektrone s jednakom učestalošću. Umjesto toga, fizičari s LHCb-a otkrili su da učestalost raspada kvarka ljepote u mione iznosi samo 85% učestalosti raspada u elektrone.

Raste sigurnost rezultata

Razlika između rezultata LHCb-a i predviđanja standardnog modela utvrđena je sa sigurnošću od oko tri jedinice eksperimentalne pogreške, ili '3 sigma' što je uvriježen termin u fizici čestica. To znači da je vjerojatnost da se radi o statističkoj fluktuaciji 1 na 1000. No da bi znanstvenici bili sigurni da je riječ o stvarnoj pojavi, traži se da se postigne sigurnost od oko 5 sigma.

Rezultat od pet sigma smatra se zlatnim standardom za značajnost fizikalnog eksperimenta, što odgovara vjerojatnosti od otprilike jedan prema 3 milijuna da su nalazi samo rezultat slučajnih varijacija. Šest sigma znači da je ta vjerojatnost jedan na pola milijarde.

Pod pretpostavkom da je rezultat točan, njegovo najvjerojatnije objašnjenje bilo bi da nepoznata nova sila vuče elektrone i mione različitom snagom i time ometa način na koji se kvarkovi ljepote raspadaju.

Znanstvenici koji rade u Laboratoriju u Cavendishu ispitali su dva nova raspada kvarkova ljepote iz iste obitelji raspada koja je analizirana u LHCb-u. Tim je otkrio isti efekt - raspad u miona događao se s učestalošću od 70% u odnosu na raspad miona u elektrone.

"Uzbuđenje raste"

U ovom eksperimentu pogreška je bila veća – rezultat je imao pouzdanost od oko 2 sigma, što znači da postoji nešto više od 2% šanse da je on rezultat statističke varijacije. No, iako rezultat nije konačan, on daje dodatnu potporu rastućoj količini dokaza da postoje nove temeljne sile koje čekaju da budu otkrivene.

"Uzbuđenje oko Velikog hadronskog sudarača raste upravo u trenutku kad se nadograđeni LHCb detektor uskoro uključuje i počinje prikupljanje daljnjih podataka koji će pružiti potrebnu statističku sigurnost za potvrđivanje ili opovrgavanje velikog otkrića", rekao je profesor Val Gibson iz laboratorija Cavendish.

"Činjenica da smo vidjeli isti učinak kao i naši kolege u ožujku zasigurno povećava šanse da bismo zaista mogli biti na rubu otkrića nečeg novog", rekao je dr. Harry Cliff, također iz laboratorija Cavendish. "Sjajno je baciti malo više svjetla na zagonetku", dodao je.

Najznačajnije odstupanje od standardnog modela

Fizičar Vuko Brigljević, voditelj laboratorija za fiziku elementarnih čestica na institutu Ruđer Bošković i voditelj grupe na eksperimentu CMS u CERN-u, kaže da je to svakako jako, jako zanimljiv rezultat.

"To je trenutno najznačajnije odstupanje od standardnog modela koje vidimo", kaže Brigljević. No ističe da za sada još ne bi išao u interpretacije onoga što je zabilježeno.

"Tu prvo treba napraviti dvije stvari. Ovaj rezultat ima već dosta velik značaj, no moramo nastaviti dalje mjeriti kako bi se potvrdilo da je u pitanju doza odstupanja koja još puno više isključuje statističku fluktuaciju", dodaje.

Još nekoliko godina mjerenja

Koliko će vremena trebati da se otkriće potvrdi, teško je precizno predvidjeti. Što se duže mjeri, to su znanstvenici sigurniji u rezultat. Da se mogućnost pogreške smanji za faktor dva, potrebno je mjeriti četiri puta duže. Da se smanji za faktor 10, treba mjeriti oko 100 puta duže. Brigljević kaže da bi se mjerenja mogla nastaviti na proljeće ove godine, negdje oko Uskrsa. 

"Trebat će nam nekoliko godina da skupimo dovoljno podataka da se mogućnost pogreške smanji. To će ovisiti o dosta faktora, među ostalim o tome koliko je detektor poboljšan. Upravo završava pauza u kojoj je detektor unapređivan. Ona je trebala trajati dvije godine, međutim zbog covida-19 trajala je tri. Tijekom nje unaprijeđeni su i akcelerator i detektori. To će, među ostalim, omogućiti sposobnost skupljanja veće količine podataka", tumači ruđerovac.

"Nikad ne treba isključiti mogućnost da se dogodio neki previd"

Ističe da je ovaj eksperiment jako složen. "Mi želimo mjeriti apsolutnu razliku između količina elektrona i miona. Međutim, detektor može biti osjetljiviji na elektrone nego na mione pa to treba uzeti u obzir – treba napraviti korekcije u mjerenju. Pritom trebamo biti sigurni da razumijemo što se zbiva kako bismo napravili odgovarajuće korekcije", navodi Brigljević.

"Stoga imamo cijeli niz pomoćnih mjerenja kojima se provjeravaju prikupljeni podaci i hipoteze. No tu se nikada ne može isključiti mogućnost da se dogodio neki previd, da je nešto precijenjeno ili podcijenjeno. Dakle, treba nastaviti mjeriti i također testirati samu metodu mjerenja", kaže naš fizičar.

"Neovisne provjere bit će bitne"

"Osim toga, razlike u učestalosti miona i elektrona vidjele su se u više različitih raspada. Što više se mjeri u različitim raspadima koji imaju sličnu simetriju, manja je mogućnost da će se greška pojaviti u svim mjerenjima. Eksperimenti Atlas i CMS, koji su otkrili Higgsov bozon, također mogu biti uključeni u mjerenja raspada iako nisu specijalizirani za to onako kao što je specijaliziran LHCb", ističe.

"Postoje grupe koje su počele raditi na tim detektorima. Budući da su detektori podložni različitim mogućim greškama, a ne istim, neovisne provjere na njima bit će bitne", dodaje Brigljević.

Napominje da je također važna stvar i preispitivanje same teorije.

"Ona predviđa da bi učestalost raspada kvarka ljepote na mione i na elektrone trebala biti ista. No, tu postoje određene teorijske nesigurnosti. Treba raditi i na provjeri teorije kako bismo bili sigurni da ne postoji neki teorijski efekt koji bi mogao objasniti zabilježenu razliku unutar samog standardnog modela", zaključio je Brigljević.