Znanost

Mion ponovo udara? Lažni signali u beskrajnim nizovima podataka

Davor Horvatić subota, 1. svibnja 2021. u 05:30

Zanimljivi rezultati vezani uz svojstva miona, jedne od za sada fundamentalnih čestica koje grade Svemir, dolaze iz mjerenja na LHCb detektoru. Podaci ukazuju na moguću fiziku van Standardnog modela jer mioni ne nastaju u jednakom broju kao i elektroni u procesima raspada teških mezona.

U prošlih mjesec dana mion nije uzburkao duhove samo svojim magnetskim svojstvima. Paralelno s odvijanjem eksperimentalno teorijske drame oko nove fizike u g-2 eksperimentu dobili smo rezultate s LHCb detektora koji pokazuju odstupanje od onog što predviđa Standardni model. Po tko zna koji put mogli bismo uzviknuti: „Kakav fenomenalan mjesec za fiziku elementarnih čestica!“. No, iz osobnog iskustva mogu vam reći da sam sreo dosta kolega teoretičara i eksperimentalaca koji rade u tom području i niti jedan nije skakao ekstatično od sreće i vikao “EUREKA!”.

Dio LHCb detektora na CERNu (autor: Peter Ginter/CERN)
Dio LHCb detektora na CERNu (autor: Peter Ginter/CERN)

LHCb detektor je specijalno konstruiran za proučavanje hadrona koji sadrže b kvark. Malo tehničkih detalja za čitatelje koji nisu hardcore fanovi fizike visokih energija. Hadron je kompozitna čestica tj. vezano stanje minimalno dva kvarka ili više njih. Najpoznatiji hadroni su protoni i neutroni, vezana stanja tri kvarka. Proton je vezano stanje dva u kvarka i jednog d kvarka, a neutron dva d i jednog u kvarka. Mezoni su pak vezana stanja kvarka i antikvarka i nisu stabilni poput protona i neutrona. Na LHCb detektoru u zadnjih desetak godina otkriveno je više od 50 novih vezanih stanja, a neka su zbilja egzotična jer se radi o vezanim stanjima s četiri ili pet kvarkova. Taj segment zove se hadronska spektroskopija, no puno zanimljivija fizika se istražuje mjereći raspade mezona koji sadrže b kvark. Posebno vezanih stanja B mezona s u ili d kvarkom (kvarkovima iz prve generacije).

Raspad B mezona na kaon i leptonski par čestica-antičestica procesom koji dopušta Standardni model
Raspad B mezona na kaon i leptonski par čestica-antičestica procesom koji dopušta Standardni model

U Standardnom modelu međudjelovanje leptona (elektrona, miona, tau leptona) s baždarnim bozonima (nosioci sila) trebalo bi biti identično i jedina razlika može dolaziti zbog različite mase leptona. Taj postulat se zove „leptonsko okusna univerzalnost“. Okus se odnosi na vrstu elementarne čestice, a kvarkovi imaju šest okusa: gornji (u), donji (d), strani (s), čarobni (c), dubinski (b) i vršni (t). Kako bismo stekli uvid u šumu raspada koju stvara B+ mezon dovoljno je otići na stranicu https://pdg.lbl.gov/ i pogledati podatke za B mezone. Kako bismo testirali tu univerzalnost na LHCb od svih mogućih načina kako se B mezon može raspasti, mjerimo omjer vjerojatnosti raspada B+ mezona na K+ mezon i par mion, antimion ili na K+ mezon i par elektron pozitron. Standardni model predviđa da bi taj omjer trebao biti 1. Mjerenja za sada daju 0.846 ali s nedovoljnom statističkom značajnosti.

Prikaz prilagodbe podataka iz eksperimenta (izvor arxiv:2103.11769)
Prikaz prilagodbe podataka iz eksperimenta (izvor arxiv:2103.11769)

Na slici možemo vidjeti određenu statističku mjeru koja pokazuje kako nismo ni blizu nivou točnosti potrebnom da bi se nešto proglasilo otkrićem. Bez dubljeg ulaženja u statistiku, sliku tumačimo ovako, minimum se nalazi na 0.846, tamna boja predstavlja područje značajnosti od 1σ (68% vjerojatnosti da je rezultat značajan), srednje tamna boja predstavlja 3σ (95% vjerojatnosti da je rezultat značajan), a svijetla boja 5σ (99.99994% vjerojatnosti da je rezultat značajan). Rezultat koji očekujemo od standardnog modela označen je crvenom linijom. Vidimo da nismo niti blizu potrebnoj značajnosti za potvrđivanje nove fizike. Koliko još dugo moramo skupljati podatke da dođemo na potrebnu razinu značajnosti? Možda čak i cijelo desetljeće.

Čemu tolika opreznost? U eksperimentima vezanim uz fiziku elementarnih čestica skuplja se enormna količina podataka i povijest je pokazala kako se jednostavno zna skupiti hrpa slučajnih događaja, koji se pokažu značajnima u određenom energetskom području i kasnije nestanu kad skupimo još mjerenja. Takav primjer je dvofotonski višak na energiji koja odgovara masi 750 protona. Rezultati skupljeni u 2015. godini pokazali su značajnost od skoro 4σ i objavilo se preko 500 znanstvenih radova na tu temu koji su htjeli objasniti moguću česticu na toj energiji. Dodatnim mjerenjima signal se jednostavno izgubio. Sličnih anomalija ima popriličan broj i zato se izuzetno pazi na korektnost provođenja svih kompleksnih koraka koje moramo provesti kako bi se neko mjerenje proglasilo otkrićem.

Glavobolja koju fizičari trenutno imaju oko g-2 rezultata i omjera raspada B mezona nalazi se u teorijskom opisu. Standardni model moramo nadograditi teorijom koja će opisati dobro oba rezultata (ako uopće jesu značajni). Teorije koje mogu pokriti oba nema puno, a jedan kandidat su čestice zvane leptokvarkovi, hipotetske čestice koje bi međudjelovale i s kvarkovima i s leptonima.  Deset godina prođe u trenu, možda ćemo 2031. godine vikati “EUREKA! Konačno nova fizika!”. Kaže narodna, strpljen – spašen.

 

O autoru: Davor Horvatić je izvanredni profesor na Fizičkom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu. Istraživanje obavlja u području fizike elementarnih čestica gdje se bavi hadronima te u području fizike kompleksnih sustava, stohastičkih procesa i analize vremenskih serija s primjenom u ekonomiji, sociologiji i medicini. Objavio je više od 40 znanstvenih radova koji su citirani više od dvije tisuće puta. Aktivno se bavi popularizacijom znanosti. Održao je više od tri stotine popularnih predavanja te snimio desetak radijskih i televizijskih emisija. Suautor je osnovnoškolskih udžbenika fizike za sedmi i osmi razred.