Standardmodellen för partikelfysik beskriver egenskaperna och interaktionerna hos materiens beståndsdelar. Utvecklingen av denna teori började i början av 1960 -talet, och 2012 löstes den sista pusselbiten genom upptäckten av Higgs -bosonen vid Large Hadron Collider (LHC) vid CERN i Schweiz. Experiment har gång på gång bekräftat standardmodellens mycket exakta förutsägelser.

Än, forskare har skäl att tro att fysik utöver standardmodellen finns och bör hittas. Till exempel, Standardmodellen förklarar inte varför materia dominerar över antimateria i universum. Det ger inte heller ledtrådar om den mörka materiens natur - den osynliga substansen som är fem gånger mer vanlig än den vanliga materia vi observerar.

I denna Q&A, partikelfysikern Vera Lüth diskuterar vetenskapliga resultat som potentiellt antyder fysik utöver standardmodellen. Professor emerita i experimentell partikelfysik vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory är medförfattare till en granskningsartikel som publicerades idag i Natur som sammanfattar resultaten från tre experiment:BABAR vid SLAC, Belle i Japan och LHCb på CERN.

Vilka är antydningarna till ny fysik som du beskriver i din artikel?

Tipsen härrör från studier av en elementär partikel, känd som B meson - en instabil partikel som produceras vid kollisionen av kraftfulla partikelstrålar. Mer exakt, dessa studier tittade på förfall av B -meson som involverar leptoner - elektriskt laddade elementära partiklar och deras tillhörande neutrinoer. Det finns tre laddade leptoner:elektronen, en kritisk komponent av atomer som upptäcktes 1897; muonen, observerades första gången i kosmiska strålar 1937; och den mycket tyngre tau, upptäcktes vid SPEAR elektronpositron (e+e-) lagringsring vid SLAC 1975 av Martin Perl.

På grund av deras mycket olika massor, de tre leptonerna har också mycket olika livstider. Elektronen är stabil, medan muon och tau förfaller inom några sekunder och en bråkdel av en picosekund, respektive. Ett grundläggande antagande av standardmodellen är att interaktionerna mellan de tre laddade leptonerna är desamma om deras olika massor och livstider beaktas.

Under många år, olika experiment har testat detta antagande - kallat "leptonuniversalitet" - och hittills har ingen bestämd kränkning av denna regel observerats. Vi har nu indikationer på att hastigheterna för B meson -sönderfall som involverar tau leptoner är större än förväntat jämfört med de uppmätta hastigheterna för sönderfall som involverar elektroner eller muoner, med hänsyn till skillnaderna i massa. Denna observation skulle bryta mot leptonuniversalitet, ett grundläggande antagande av standardmodellen.

Vad innebär ett brott mot standardmodellen egentligen?

Det betyder att det finns bevis för fenomen som vi inte kan förklara i samband med standardmodellen. Om ett sådant fenomen är fast etablerat, Standardmodellen måste utökas - genom att introducera nya grundläggande partiklar och även nya interaktioner relaterade till dessa partiklar.

Under de senaste åren har sökningar efter i grunden nya fenomen har förlitat sig på högprecisionsmätningar för att upptäcka avvikelser från standardmodellsprognoser eller sökningar efter nya partiklar eller interaktioner med egenskaper som skiljer sig från kända.

Vad exakt är BABAR, Belle- och LHCb -experiment?

De är tre experiment som har utmanat leptonuniversalitet.

Belle och BABAR var två experiment specifikt utformade för att studera B -mesoner med en aldrig tidigare skådad precision - partiklar som är fem gånger tyngre än protonen och innehåller en botten eller b -kvark. Dessa studier utfördes på e+e-lagringsringar som vanligtvis kallas B-fabriker och fungerar vid kolliderande strålenergier som är tillräckligt höga för att producera ett par B-mesoner, och ingen annan partikel. BABAR drivs på SLAC:s PEP-II från 1999 till 2008, Belle på KEKB i Japan från 1999 till 2010. Den stora fördelen med dessa experiment är att B -mesonerna produceras parvis, varje förfaller till lättare partiklar - i genomsnitt fem laddade partiklar och ett liknande antal fotoner.

LHCb-experimentet fortsätter att fungera vid proton-protonkollidern LHC med energier som överstiger B-fabrikernas med mer än en faktor 1, 000. Vid denna högre energi, B -mesoner produceras i en mycket större takt än vid B -fabriker. Dock, vid varje korsning av balkarna, hundratals andra partiklar produceras förutom B -mesoner. Denna funktion komplicerar enormt identifieringen av B -mesonförfall.

För att studera leptons universalitet, alla tre experimenten fokuserar på B -förfall som involverar en laddad lepton och en tillhörande neutrino. En neutrino lämnar inga spår i detektorn, men dess närvaro upptäcks som saknad energi och fart i ett individuellt B -förfall.

Vilka bevis har du hittills för en potentiell kränkning av lepton universalitet?

Alla tre experimenten har identifierat specifika B meson -sönderfall och har jämfört hastigheterna på sönderfall som involverar en elektron eller muon med de som involverar tau lepton med högre massa. Alla tre experimenten observerar högre än väntat sönderfallshastigheter för förfall med en tau. Medelvärdet för de rapporterade resultaten, med beaktande av de statistiska och systematiska osäkerheterna, överstiger standardmodellens förväntningar med fyra standardavvikelser.

Denna förbättring är spännande, men anses inte tillräckligt för att entydigt fastställa ett brott mot leptonuniversalitet. För att göra anspråk på en upptäckt, partikelfysiker kräver i allmänhet en betydelse av minst fem standardavvikelser. Dock, det faktum att denna förbättring upptäcktes genom tre experiment, fungerar i mycket olika miljöer, förtjänar uppmärksamhet. Ändå, mer data kommer att behövas, och förväntas inom en inte alltför avlägsen framtid.

Vad var din roll i denna forskning?

Som teknisk koordinator för BABAR -samarbetet under konstruktionen av detektorn, Jag var förbindelsen mellan fysiker och ingenjörsteam, stöds av BABAR -projektledningsteamet vid SLAC. Med mer än 500 BABAR -medlemmar från 11 länder, detta var en utmanande uppgift, men med den kombinerade expertisen och engagemanget för samarbetet var detektorn klar och klar att ta data på fyra år.

När data blev tillgängliga, Jag gick tillbaka till SLAC:s forskargrupp C och tog över dess ledarskap från Jonathan Dorfan. Som sammankallande för fysikarbetsgruppen för B -förfall som involverar leptoner, Jag samordnade olika analyser av forskare från olika externa grupper, bland dem SLAC postdocs och doktorander, och hjälpte till att utveckla de analysverktyg som behövs för precisionsmätningar.

För nästan 10 år sedan, vi började uppdatera en tidigare analys utförd under ledning av Jeff Richman från University of California, Santa Barbara på B förfaller med tau leptoner och utvidgade den till hela BABAR -datauppsättningen. Detta resulterade i den överraskande stora förfallshastigheten. Analysen var ämnet för doktorsavhandlingen för min sista doktorand, Manuel Franco Sevilla, som under fyra år gett ett antal absolut kritiska bidrag som avsevärt förbättrade precisionen hos denna mätning, och därmed ökat dess betydelse.

Vad håller dig upphetsad om partikelfysik?

Under de senaste 50 åren som jag har arbetat med partikelfysik, Jag har bevittnat enorma framsteg i teori och experiment som lett till vår nuvarande förståelse av materiens beståndsdelar och deras interaktioner på den mest grundläggande nivån. Men det finns fortfarande många obesvarade frågor, från mycket grundläggande sådana som "Varför har partiklar vissa massor och inte andra?" till frågor om storskaliga saker, som "Vad är universums ursprung, och finns det mer än en? "

Lepton universalitet är ett av standardmodellens grundläggande antaganden. Om det kränktes, oväntade nya fysikprocesser måste finnas. Detta skulle vara ett stort genombrott - ännu mer överraskande än upptäckten av Higgs -bosonen, som förutspås existera för många decennier sedan.

Vilka resultat förväntar du dig inom en snar framtid?

Det händer faktiskt mycket på området. LHCb -forskare samlar in mer data och kommer att försöka ta reda på om leptonuniversaliteten verkligen kränks. Min gissning är att vi borde veta svaret i slutet av detta år. En bekräftelse kommer att bli en fantastisk händelse och kommer utan tvekan att utlösa intensiv experimentell och teoretisk forskning.

För närvarande förstår vi inte ursprunget till den observerade förbättringen. Vi antog först att det kunde vara relaterat till en laddad partner till Higgs boson. Även om de observerade funktionerna inte matchade förväntningarna, en förlängning av Higgs -modellen skulle kunna göra det. En annan möjlig förklaring som varken kan bekräftas eller uteslutas är förekomsten av så kallade leptokvarker. Dessa öppna frågor kommer att förbli ett mycket spännande ämne som måste tas upp med experiment och teoretiskt arbete.

Nyligen, LHCb -forskare har rapporterat ett intressant resultat som tyder på att vissa B -mesonförfall oftare inkluderar ett elektronpar än ett muonpar. Dock, betydelsen av detta nya fynd handlar bara om 2,6 standardavvikelser, så det är för tidigt att dra några slutsatser. BABAR och Belle har inte bekräftat denna observation.

På nästa generations B-fabrik, Super-KEKB i Japan, det nya Belle II-experimentet planeras att påbörja sitt planerade 10-åriga forskningsprogram under 2018. De förväntade mycket stora nya datamängderna kommer att öppna många möjligheter för sökningar efter dessa och andra indikationer på fysik utöver standardmodellen.