Elektroner med "kollegor" - andra leptoner - är en av många produkter av kollisioner som observerats i LHCb-experimentet vid Large Hadron Collider. Enligt teoretiker, några av dessa partiklar kan skapas i processer som sträcker sig bortom standardfysik. Den senaste analysen verifierar dessa förutsägelser.

Döljer de anomalier som observerades i LHCb-experimentet i sönderfallet av B-mesoner hittills okända partiklar utanför den för närvarande giltiga och väl beprövade standardmodellen? För att svara på denna fråga, fysiker letar inte bara efter ytterligare tecken på existensen av nya partiklar, men också för spår av de fenomen som kan uppstå med dem. En av de processer som föreslagits av teoretiker som går bortom den kända fysikens värld är att bryta mot principen om bevarande av leptonsmaken. Detta hypotetiska fenomen var i centrum för en internationell grupp av forskare, som inkluderade representanter för Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow, Technische Universität i Dortmund (TUD) och Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) i Paris. De ägnade särskild uppmärksamhet åt analysen av data som samlades in 2011-12 under protonkollisioner som en del av LHCb-experimentet vid Large Hadron Collider vid CERN nära Genève. Deras resultat diskuteras i den prestigefyllda Fysiska granskningsbrev .

Tack vare årtionden av experiment och mätningar utförda av kärnfysiker och kosmisk strålforskare, det är känt att partiklar av materia är uppdelade i två helt oberoende familjer:kvarkar och leptoner (med sina anti-materia motsvarigheter). Quarks (upp, ner, charm, konstig, topp och botten) visas alltid i grupper. System av två kvarkar är kända som mesoner, de som består av tre kvarkar är baryoner. De senare inkluderar protoner och neutroner, partiklarna som utgör atomkärnor. I tur och ordning, leptoner inkluderar elektroner, muoner, tau-partiklar och deras motsvarande neutriner.

"Egenskaperna hos leptoner och kvarkar skiljer sig fundamentalt. Som ett resultat, båda grupperna av partiklar beskrivs med uppsättningar av olika antal, kallas kvanttal. Ett av kvanttalen som används för att beskriva leptoner är leptonnumret. Till exempel, varje elektron har ett elektronnummer på 1. I sin tur, antimateria motsvarigheter till elektroner, dvs positroner, har ett elektronnummer på -1, " förklarar Dr Jihyun Bhom (IFJ PAN), huvudförfattaren till analysen. "Det är så vi kommer till nyckelfenomenet för att förklara innebörden av vårt arbete. Under standardmodellen, principen att bevara leptonnumret gäller. Den säger att summan av leptonantal av partiklar i början och slutet av processen alltid måste vara densamma."

Kravet på att bevara leptonnumret innebär att om, till exempel, två elektroner med ett totalt elektronantal av två deltar i en interaktion, i slutet av processen kommer detta nummer också att vara två. I exemplet som presenteras, under standardmodellen är det möjligt att producera två elektroner samt fyra elektroner och två positroner, och så vidare.

Både leptoner och kvarkar kan delas in i tre grupper som kallas generationer. Förekomsten av samma antal generationer leptoner och kvarkar fick teoretiker att anta att med tillräckligt hög energi, leptoner och kvarkar kunde "svetsas samman" till leptoquarks, hypotetiska partiklar med egenskaperna hos både leptoner och kvarkar. Om de fanns, leptoquarks bör vara instabila partiklar med mycket höga massor, jämförbar även med massan av en hel blykärna.

"I processer som involverar leptoquarks, leptonnummer finns inte bevarade. Detekteringen av spår av fenomen där principen om att bevara leptontalet bröts skulle därför vara ett betydande steg på vägen mot detektion av partiklar utanför Standardmodellen. Särskilt, det skulle göra det lättare för oss att tolka arten av de anomalier som nyligen har blivit allt tydligare synliga i data från B-mesonernas förfall, dvs partiklar som innehåller dunkvarken och bottenkvarken, " säger Dr. Bhom.

I de senaste statistiska analyserna visade det sig nödvändigt att använda artificiell intelligens – och inte bara en.

"Vi var intresserade av B-mesonförfallen som leder till bildandet av K-mesonen, en myon och en elektron. Dock, det råkar vara så att under standardmodellen, en betydande andel av B-mesonsönderfall leder till exakt samma produkter med tillsats av neutriner (det senare kan inte registreras). Denna enorma bakgrund måste elimineras mycket exakt från de insamlade uppgifterna. En artificiell intelligens var ansvarig för denna uppgift. Den andra visade sig nödvändig för att bli av med bakgrundsrester som passerade genom den första, " förklarar Dr. Bhom.

Trots användningen av sofistikerade matematiska verktyg, forskarna från IFJ PAN, TUD och CNRS misslyckades med att upptäcka spår av fenomen som bryter mot bevarandet av leptonnumret. Dock, varje moln har en silverkant.

"Med en säkerhet på upp till 95 % har vi förbättrat de befintliga begränsningarna för lösningarna som presenteras av teoretiker för att förklara förekomsten av anomalier i sönderfallet av B-mesoner med en hel storleksordning. Som ett resultat, vi är de första som avsevärt har begränsat området för att söka efter teorier som förklarar förekomsten av dessa anomalier med hjälp av ny fysik, " betonar Dr. Bhom.

Om de finns, processer som bryter mot principen om att bevara leptonnumret förekommer uppenbarligen mycket mindre frekvent än vad som kunde förutsägas av de mest populära tilläggen av standardmodellen som involverar leptoquarks. Vad mer, anomalier i själva sönderfallet av B-mesoner behöver inte vara associerade med nya partiklar. Möjligheten kan fortfarande inte uteslutas att de är artefakter av mättekniker, de matematiska verktyg som används eller resultatet av att inte ta hänsyn till något fenomen som inträffar inom idag känd fysik. Man kan bara hoppas att efterföljande, redan påbörjade analyser, med hänsyn till de senaste uppgifterna som samlats in vid LHC, kommer äntligen att skingra tvivel om existensen av fysik bortom Standardmodellen inom några år.