Forskare som letar efter bevis på ny fysik i partikelprocesser som kan förklara mörk materia och andra mysterier i universum har kommit ett steg närmare, med det nya resultatet av NA62-experimentet som rapporterades idag på CERN.

Experimentet, leds av ett internationellt team av forskare, demonstrerar en ny teknik som fångar och mäter det ultrasällsynta sönderfallet av en subatomär partikel som kallas en kaon.

Deras resultat, presenterades vid ett CERN-seminarium måndagen den 23 september, visa hur exakta mätningar av denna process kan antyda ny fysik, bortom den standardmodell som utvecklades på 1970-talet.

Standardmodellen används fortfarande ofta för att beskriva universums grundläggande krafter och byggstenar och är en mycket framgångsrik teori, men det finns flera mysterier i universum som standardmodellen inte förklarar, såsom naturen hos mörk materia, eller ursprunget till obalansen mellan materia och antimateria i universum. Fysiker har letat efter tillägg till standardmodellen som kan förutsäga nya partiklar eller interaktioner som kan förklara dessa fenomen.

Den nya mätningen gjordes vid CERNs partikelfysiklaboratorium av ett team ledd av University of Birmingham. Syftet med experimentet, kallas NA62, är att studera de subatomära partiklarna kaoner, innehåller kvarken konstigt, och ett särskilt sätt på vilket de omvandlas till andra typer av partiklar med odds runt 1 på 10 miljarder.

Denna process förutsägs i detalj av standardmodellen med en osäkerhet på mindre än 10 procent, så varje avvikelse från den förutsägelsen är ett spännande tydligt tecken på ny fysik. Genom att kombinera 2016 och 2017 datamängder, teamet finner att den relativa frekvensen av denna process skulle vara högst 24,4 i 100 miljarder K+ sönderfall. Detta kombinerade resultat är kompatibelt med standardmodellens förutsägelse och gör det möjligt för teamet att sätta gränser för teorier utanför standardmodellen som förutsäger frekvenser som är större än denna övre gräns.

"Denna kaon-sönderfallsprocess kallas "den gyllene kanalen" eftersom kombinationen av att vara ultrasällsynt och utmärkt förutspådd i standardmodellen. Det är mycket svårt att fånga, och har ett verkligt löfte för forskare som söker efter ny fysik, " förklarar professor Cristina Lazzeroni, Professor i partikelfysik vid University of Birmingham, och talesperson för NA62. "Genom att fånga en exakt mätning av sönderfallet kan vi identifiera avvikelser från standardmodellens förutsägelse. Det nya resultatet har fortfarande begränsad statistik men har redan gjort det möjligt för oss att börja sätta begränsningar på några nya fysikmodeller."

Experimentet ägde rum under tre år på CERNs Prevessin-anläggning, i Frankrike och involverar cirka 200 forskare från 27 institutioner. Syftet var att mäta exakt hur kaonpartikeln sönderfaller till en pion och ett neutrino-antineutrinopar med hjälp av protonstrålen från CERNs Super Proton Synchrotron (SPS). Kaonerna skapas genom att kollidera högenergiprotoner från SPS till ett stationärt berylliummål. Detta skapar en stråle av sekundära partiklar som innehåller och sprider nästan en miljard partiklar per sekund, ca 6% av vilka är kaoner.

Eftersom processen som mäts är så sällsynt, laget måste vara särskilt noga med att inte göra något som kan påverka resultatet. Av den anledningen, experimentet utfördes som en "blind analys, " där fysiker till en början bara tittar på bakgrunden för att kontrollera att deras förståelse av de olika källorna är korrekt. Först när de är nöjda med det, de tittar på den region av data där signalen förväntas vara. Denna "öppning av blindboxen" genomfördes den 10 september vid den internationella konferensen om Kaon Physics, KAON2019, hölls i Perugia, Italien.

Professor Lazzeroni tillade:"Detta är ett stort steg framåt för området partikelfysik som kommer att göra det möjligt för oss att utforska nya sätt att förstå vårt universum. Detta har gjorts möjligt genom en enorm laginsats från alla samarbetande institut och kontinuerligt stöd från CERN."

Experimentet kommer att analysera ytterligare data från 2018 och publicera det nästa år. Det finns också planer på att ta mer data för att förfina mätningen från 2021 när CERN SPS kommer att starta om driften.