Från data som samlats in av LHCb -detektorn vid Large Hadron Collider, det verkar som att partiklarna som kallas charmmesoner och deras antimateria -motsvarigheter inte produceras i helt lika stora proportioner. Fysiker från Krakow har föreslagit sin egen förklaring av detta fenomen och presenterat relaterade förutsägelser om konsekvenser som är särskilt intressanta för neutrino-astronomi med hög energi.

I de första stunderna efter Big Bang, universum fylldes med lika stora mängder partiklar och antipartiklar. Medan det svalnade, materia och antimateria började smälta samman och utplåna, blir strålning. Frågan som överlevde förintelsen omfattar nu universum, men denna obalans är dåligt förstådd. För att tyda detta stora mysterium av modern vetenskap, fysiker försöker bättre förstå alla mekanismer som är ansvariga för även de minsta oproportioner i produktionen av partiklar och antipartiklar. En grupp forskare från Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, associerad med LHCb -experimentet vid Large Hadron Collider i Genève, undersökte nyligen en av dessa processer:asymmetrin som uppträder vid charm mesoner och antimesoner. Slutsatserna från analysen kan vara av mycket påtaglig praktisk betydelse.

Enligt modern fysik, kvarker är de viktigaste odelbara byggstenarna som utgör materia. Vi känner till sex smaker av kvarker:upp (u), ner (d), konstiga, charm (c), botten (b) och toppen (t); varje smak har också sin egen antimateria -motsvarighet (ofta markerad med ett streck ovanför bokstaven, läs som "bar"). Kvarkar bildas i allmänhet i kvark-antikvark-par. De är extremt sällskapliga partiklar:nästan omedelbart efter att de blivit till, de binder till hadroner, eller grupper om två, tre, och ibland fler kvarkar eller antikvarker, bundna med gluoner (dvs. partiklar som överför starka nukleära interaktioner). Processen att kombinera kvarkar/antikvarkar till komplex kallas hadronisering.

Instabila hadroner byggda av kvark-antikvarkpar kallas mesoner. Om en av kvarkerna i en meson är en charmkvark, partikeln kallas en charmmeson och betecknas med bokstaven D (eller för charmantikvariet:D med en stapel ovanför). Ett par byggt av en charmkvark och en dunantikvart är en D+ meson, och en bestående av en charmantikvarke och dunkvark är en D-meson.

I mätningar som gjordes under det senaste kvartsseklet, inklusive nyligen som en del av LHCb -experimentet, en intressant asymmetri märktes. Det visade sig att D+ och D- mesoner inte alltid produceras i exakt samma proportioner. För processer som observerats i LHCb, initierad i kollisioner av motströmstrålar av högenergiprotoner, denna asymmetri var liten, mindre än en procent.

"Charmkvarkar bildas huvudsakligen vid gluonkollisioner i så kallade hårda interaktioner, och efter födseln, de hadroniseras till D mesoner. Vi undersökte en annan mesonbildningsmekanism, känt som osmakad kvarkfragmentering. Här, charmen meson skapas som ett resultat av hadronisering av ett ljus (upp, ner, eller konstigt) kvark eller antikvark. Med hjälp av nyanser av denna mekanism, asymmetrin mellan kaoner och antikaoner, dvs K+ och K- mesoner, förklarades tidigare. Tills nu, dock, det har inte undersökts om en liknande mekanism kan förklara asymmetrin mellan de relativt massiva D+ och D-mesonerna, "säger Dr Rafal Maciula (IFJ PAN), den första författaren till publikationen i tidskriften Fysisk granskning D .

LHCb -detektorn mäter huvudsakligen partiklar som avviker från protonens kollision i stora vinklar till dessa protoners ursprungliga rörelseriktning. Enligt de krakowbaserade fysikerna, asymmetrin i produktionen av D -mesoner bör vara mycket större om man tar hänsyn till partiklar som produceras i en riktning framåt, det är, längs protonstrålarnas riktning. Det betyder att den för närvarande observerade oproportionen kan vara bara toppen av ett isberg. Beräkningar tyder på att vid "framåt" kollisioner, ofrivillig fragmentering (d, du, s 'D) kan vara jämförbar med konventionell fragmentering (c' D). Som ett resultat, asymmetrin mellan D+ och D- mesoner kan nå en hög andel, även vid lägre kollisionsenergier än de som för närvarande förekommer i LHC.

Forskningen från fysikerna från IFJ PAN kan få långtgående konsekvenser för neutrinoobservatorier som IceCube Observatory i Antarktis. Denna detektor, där 49 vetenskapliga institutioner från 12 länder samarbetar, övervakar en kubik kilometer is, ligger nästan en kilometer under ytan, använder tusentals fotomultiplikatorer. Fotomultiplikatorer spårar subtila ljusblixtar initierade av interaktionen mellan isbildande partiklar och neutrinoer, elementära partiklar interagerar mycket svagt med vanlig materia.

IceCube registrerar flera hundra neutrinoer om dagen. Det är känt att en stor andel av dem skapas i jordens atmosfär i processer som initieras av kosmiska strålar och sker med deltagande av protoner. Andra neutrinoer kan komma från jordens kärna eller från solen. Det antas, dock, att neutrinoer med betydande energier har nått detektorn direkt från avlägsna kosmiska källor, inklusive supernovor, sammanslagning av svarta hål eller neutronstjärnor.

"När du tolkar data från IceCube -detektorn, produktion av neutriner i jordens atmosfär orsakad av vanlig kosmisk strålning, inklusive kollisioner med protoner, beaktas. Saken är att några av dessa processer, resulterar i bildandet av neutrinoer med höga energier, äga rum med deltagande av D mesoner. Under tiden, vi visar att produktionsmekanismen för dessa mesoner i atmosfären kan vara mycket effektivare än man tidigare trott. Så, om våra antaganden bekräftas, några av de mycket energiska neutriner som registrerats, anses nu ha kosmiskt ursprung, har faktiskt dykt upp precis ovanför våra huvuden och stör den verkliga bilden av händelser i rymdets djup, "förklarar prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN).

När bara toppen av isberget kan ses, slutsatser om hur resten ser ut är mer än riskabelt. Modellen som föreslås av de krakowbaserade fysikerna har status som en hypotes idag. Kanske beskriver den helt den mekanism som uppstår i verkligheten. Men det kan också vara så att andra processer är ansvariga för asymmetrin i produktionen av D -mesoner, kanske delvis eller till och med i sin helhet.

"Lyckligtvis, inget annat konkurrensförslag förutspår en så tydlig ökning av asymmetri i produktionen av D -mesoner vid lägre kollisionsenergier. Så för att kontrollera våra antaganden, det skulle räcka i LHC -acceleratorn att rikta en enda stråle mot ett stationärt mål, vilket avsevärt skulle minska kollisionsenergin. Vår modell uppfyller därför kriterierna för mycket tillförlitlig vetenskap:den förklarar inte bara tidigare observationer, men framför allt, det kan snabbt verifieras. Dessutom, detta kan göras mycket billigt, "säger professor Szczurek.