Para ilmuwan mungkin telah menemukan di CERN kekuatan alam yang baru

Ketika akselerator raksasa CERN, Large Hadron Collider, diluncurkan sepuluh tahun lalu, harapan berlipat ganda bahwa partikel baru akan segera ditemukan yang dapat membantu kita mengungkap misteri fisika terdalam. Materi gelap, lubang hitam mikroskopis, dan dimensi tersembunyi Mereka hanya beberapa Kemungkinan. Tapi bagaimanapun juga Penemuan yang luar biasa Dari boson Higgs, proyek itu telah Gagal masuk Berikan petunjuk apa pun tentang apa yang mungkin ada di baliknya Model Standar Fisika PartikelTeori terbaik kami saat ini tentang alam semesta kecil.

Jadi kita punya Kertas baru Dari LHCb, Salah satu dari empat eksperimen raksasa Large Hadron Collider, Kemungkinan akan membuat jantung fisikawan berdetak sedikit lebih cepat. Setelah menganalisis triliunan tabrakan yang telah terjadi selama dekade terakhir, kita mungkin melihat bukti dari sesuatu yang sama sekali baru – berpotensi membawa kekuatan yang sama sekali baru dari alam.

Tapi antusiasme itu diredam oleh kehati-hatian yang ekstrim. Model Standar telah bertahan dalam setiap pengujian eksperimental yang telah dibuat sejak itu dikompilasi pada tahun 1970-an, jadi mengklaim bahwa kami akhirnya melihat sesuatu yang tidak dapat dijelaskan membutuhkan bukti yang luar biasa.

Anomali yang aneh

Model Standar menggambarkan sifat pada skala terkecil, termasuk Partikel fundamental Mereka dikenal sebagai lepton (seperti elektron) dan quark (yang dapat bergabung membentuk partikel yang lebih berat seperti proton dan neutron) dan gaya yang berinteraksi dengannya.

Ada banyak jenis quark, beberapa di antaranya tidak stabil dan dapat membusuk menjadi partikel lain. Penemuan baru berkaitan dengan anomali eksperimental itu Ini pertama kali diisyaratkan pada tahun 2014 Ketika fisikawan LHCb menemukan bahwa quark “kecantikan” membusuk dengan cara yang tidak terduga.

Secara khusus, beauty quark tampaknya membusuk menjadi lepton yang disebut “muon” lebih jarang daripada yang mereka lakukan menjadi elektron. Ini aneh karena muon pada dasarnya adalah salinan karbon elektron, identik dalam segala hal kecuali sekitar 200 kali lebih berat.

Anda mungkin mengharapkan beauty quark membusuk menjadi muon seperti halnya elektron. Satu-satunya cara penyimpangan ini dapat terjadi pada kecepatan yang berbeda adalah jika beberapa partikel yang sebelumnya tak terlihat terlibat dalam peluruhan dan membalikkan skala terhadap muon.

Meskipun hasil tahun 2014 menarik, namun tidak cukup akurat untuk mencapai kesimpulan yang konklusif. Sejak itu, sejumlah anomali lain telah muncul dalam proses terkait. Mereka semua secara individual sangat tepat sehingga para peneliti tidak dapat memastikan bahwa mereka adalah penanda sebenarnya dari fisika baru, tetapi yang membingungkan, semuanya tampaknya mengarah ke arah yang sama.

Pertanyaan besarnya adalah apakah anomali ini akan menjadi lebih kuat karena lebih banyak data dianalisis atau larut menjadi tidak ada. Pada 2019, LHCb tampil Pengukuran yang sama Dari beauty quark membusuk lagi, tetapi dengan data tambahan yang diambil pada tahun 2015 dan 2016. Tetapi keadaan tidak jauh lebih jelas daripada lima tahun yang lalu.

Hasil baru

Hasil hari ini menggandakan kumpulan data saat ini dengan menambahkan sampel yang direkam pada 2017 dan 2018. Untuk menghindari bias yang tidak disengaja, data dianalisis “secara membabi buta” – para ilmuwan tidak dapat melihat hasilnya sampai semua prosedur yang digunakan dalam pengukuran diuji dan ditinjau.

Mitch PatelSeorang fisikawan partikel di Imperial College London dan salah satu pelopor eksperimen menggambarkan kegembiraan yang dia rasakan ketika tiba waktunya untuk melihat hasilnya. “Saya benar-benar menggigil,” katanya, “Saya menyadari ini mungkin hal paling menarik yang telah saya lakukan dalam 20 tahun saya dalam fisika partikel.”

Ketika hasilnya muncul di layar, anomali itu masih ada – sekitar 85 muon meluruh per 100 elektron, tetapi dengan ketidakpastian yang lebih kecil dari sebelumnya.

Apa yang menggairahkan banyak fisikawan adalah bahwa ketidakpastian dalam hasil sekarang melebihi “tiga sigma” – cara para ilmuwan mengatakan bahwa hanya ada sekitar satu dari seribu kemungkinan bahwa hasilnya adalah data yang kebetulan acak. Secara tradisional, fisikawan partikel menyebut sesuatu yang lebih dari tiga sigma sebagai “pemandu”. Namun, kami masih jauh dari “penemuan” atau “pengamatan” yang terbukti – yang membutuhkan lima sigma.

Para ahli teori telah menunjukkan bahwa anomali ini (dan lainnya) dapat dijelaskan dengan mengidentifikasi keberadaan partikel baru yang memengaruhi cara peluruhan quark. Salah satu kemungkinannya adalah partikel fundamental yang disebut “Z Prime” – yang pada dasarnya adalah pembawa gaya alami yang sama sekali baru. Gaya ini akan sangat lemah, itulah sebabnya kita belum melihat tanda-tandanya, dan akan berinteraksi dengan elektron dan muon secara berbeda.

Pilihan lainnya adalah default.Leptocarc“ – sebuah partikel dengan kemampuan unik untuk membusuk menjadi quark dan lepton secara bersamaan dan itu bisa menjadi bagian dari teka-teki yang lebih besar yang menjelaskan mengapa kita melihat partikel yang kita buat di alam.

Interpretasi hasil

Apakah kita akhirnya melihat bukti fisika baru? Mungkin, mungkin juga tidak. Kami melakukan banyak pengukuran di LHC, jadi Anda mungkin berharap setidaknya beberapa di antaranya jauh dari model standar. Dan kami tidak pernah bisa mengesampingkan kemungkinan bahwa ada beberapa bias dalam pengalaman kami yang tidak kami perhitungkan dengan benar, meskipun hasil ini telah diperiksa dengan ketelitian yang luar biasa.

Pada akhirnya, gambar akan lebih jelas dengan lebih banyak data. LHCb saat ini sedang mengalami peningkatan besar-besaran untuk secara dramatis meningkatkan laju perekaman tabrakan.

Bahkan jika anomali berlanjut, kemungkinan akan diterima sepenuhnya setelah uji coba independen mengonfirmasi hasilnya. Satu kemungkinan yang menarik adalah bahwa kita mungkin dapat menemukan partikel baru yang bertanggung jawab atas efek yang diciptakan langsung dalam tumbukan di LHC. Sementara itu, Belle Experience II Di Jepang harus bisa melakukan pengukuran serupa.

Lalu, apa artinya ini bagi masa depan fisika fundamental? Jika apa yang kita lihat benar-benar merupakan pertanda dari beberapa partikel fundamental baru, itu akhirnya akan menjadi terobosan yang diidam-idamkan oleh fisikawan selama beberapa dekade.

Kami akhirnya akan melihat sebagian dari gambar yang lebih besar yang berada di luar Model Standar, yang pada akhirnya memungkinkan kami untuk mengungkapkan sejumlah teka-teki tertentu. Ini termasuk sifat materi gelap tak terlihat yang mengisi alam semesta, atau sifat boson Higgs. Ia bahkan dapat membantu para ahli teori untuk menyatukan partikel dan gaya fundamental. Atau, mungkin yang terbaik dari semuanya, itu bisa merujuk pada sesuatu yang bahkan tidak pernah kami pikirkan.

Jadi, haruskah kita bersemangat? Ya, hasil seperti ini tidak sering muncul, penguntitan pasti sedang berlangsung. Tetapi kita juga harus waspada dan rendah hati; Klaim yang tidak biasa membutuhkan bukti luar biasa. Hanya waktu dan kerja keras yang akan menentukan apakah kita akhirnya telah melihat secercah pertama dari apa yang ada di balik pemahaman kita saat ini tentang fisika partikel.

Harry Cliff Dia adalah seorang fisikawan partikel dan Volume Paula Alvarez Dosen fisika partikel di Universitas Cambridge.

Konstantinos Alexandros Petridis Dosen Senior Fisika Partikel di Universitas Bristol.

Artikel ini pertama kali muncul di Percakapan.