Forskare vid CERN har rapporterat om sina första betydande bevis för en process som förutspåtts av teori, banar väg för sökningar efter bevis på ny fysik i partikelprocesser som kan förklara mörk materia och andra mysterier i universum.

Idag CERN NA62-samarbetet, som är delfinansierat av Storbritanniens Science and Technology Facilities Council (STFC) och involverar ett antal brittiska forskare, presenterade vid ICHEP 2020-konferensen i Prag det första betydande experimentella beviset för det ultrasällsynta sönderfallet av den laddade kaonen till en laddad pion och två neutriner, (dvs K ⁺ → π ⁺ νν).

Förfallsprocessen är viktig i banbrytande fysikforskning eftersom den är så känslig för avvikelser från teoretiska förutsägelser. Detta betyder att det är en av de mest intressanta sakerna att observera för fysiker som letar efter bevis för att stödja alternativ teoretisk modell inom partikelfysik.

Professor Mark Thomson, partikelfysiker och verkställande ordförande för STFC, sa att detta var spännande framsteg eftersom resultatet visar hur exakta mätningar av denna process kan leda till ny fysik, bortom standardmodellen för partikelfysik som utvecklades på 1970-talet:

"Standardmodellen beskriver universums grundläggande krafter och byggstenar. Det är en mycket framgångsrik teori, men det finns flera mysterier i universum som standardmodellen inte förklarar, såsom den mörka materiens natur och ursprunget till obalansen mellan materia och antimateria i universum.

"Fysiker har letat efter teoretiska tillägg till standardmodellen. Mätningar av ultrasällsynta processer ger en spännande väg för att utforska dessa möjligheter, med hopp om att upptäcka ny fysik bortom standardmodellen."

De brittiska deltagarna i denna forskning är från universiteten i Birmingham, Bristol, Glasgow och Lancaster, och har finansierats av STFC som är en del av UK Research and Innovation, samt av Royal Society och European Research Council (ERC).

NA62-experimentet har designats och konstruerats, med ett betydande bidrag från Storbritannien, speciellt för mätning av dessa extremt sällsynta kaon-sönderfall, från kaoner producerade av en unik högintensiv protonstråle som tillhandahålls av CERN-acceleratorkomplexet. Kaonerna skapas genom att kollidera högenergiprotoner från CERNs Super Proton Synchrotron (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. Huvudsyftet med NA62 är att mäta exakt hur den laddade kaonpartikeln sönderfaller till en pion och ett neutrino-antineutrino-par. Storbritannien har en stark ledande roll i K ⁺ → π ⁺ νν sönderfallsanalys.

"Denna kaon-sönderfallsprocess kallas "den gyllene kanalen" på grund av kombinationen av att vara både ultrasällsynt och utmärkt förutspådd i standardmodellen. Den är mycket svår att fånga och lovar verkligt för forskare som söker efter ny fysik, " förklarar professor Cristina Lazzeroni, Partikelfysiker vid University of Birmingham, och talesperson för NA62.

"Det här är första gången vi har kunnat få betydande experimentella bevis för denna sönderfallsprocess. Det är ett spännande ögonblick eftersom det är ett grundläggande steg mot att fånga den exakta mätningen av sönderfallet och identifiera möjliga avvikelser från standardmodellen.

"I tur och ordning, detta kommer att göra det möjligt för oss att hitta nya sätt att förstå vårt universum. De instrument och tekniker som utvecklats i NA62-experimentet kommer att leda till nästa generation av sällsynta kaon-förfallsexperiment."

Det nya resultatet uppmätt till 30 % precision, ger den mest exakta mätningen hittills av denna process. Resultatet överensstämmer med standardmodellens förväntningar, men lämnar fortfarande utrymme för existensen av nya partiklar.

Mer data behövs för att nå en definitiv slutsats om förekomsten eller inte av ny fysik.

STFC Ernest Rutherford Fellow Dr. Giuseppe Ruggiero från Lancaster University har varit den ledande analytikern för denna mätning sedan 2016, och hjälpte till att skapa experimentet. Han sa:

"Analyseringen av data från experimentet innebar en verklig utmaning. Vi var tvungna att undertrycka en enorm mängd oönskad data, cirka tusen miljarder gånger. Och vi var tvungna att göra detta utan att förlora den lilla signal som vi ville upptäcka. Det här är mycket mer utmanande än att hitta en nål i en miljon höstackar! Vi använde en metod som kallas blindanalysteknik. Så kallade, eftersom analysen görs utan att titta i regionen, eller "blind låda", var signalen ska vara."

STFC finansierade också två Ernest Rutherford Fellowships, en vid University of Liverpool och sedan Lancaster, och en vid University of Birmingham. Dessutom, tre doktorander vid University of Birmingham fick stöd från STFC och en arbetar nu som postdoktor i projektet. Alla fem fysiker i "tidig karriär" har arbetat med projektet.

Data som användes i forskningen togs mellan 2016–2018 på CERN:s Prevessin-webbplats, i Frankrike, och forskningen involverar över 200 forskare från 31 institutioner. En ny period av datainsamling kommer att starta 2021 och kommer att göra det möjligt för NA62-samarbetet att ge ett mer bestämt svar på frågan om ny fysik.

Resultaten

Det nya resultatet kommer från en detaljerad analys av den kompletta NA62-datauppsättningen som har samlats in hittills, motsvarande exponering på 6×10 ¹² kaon förfaller. 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.

Bara när de är nöjda med det, de tittar på den region av datan där signalen förväntas vara; detta kallas "blind analys". Efter en blind analys, sjutton K ⁺ → π ⁺ νν kandidater observeras i den huvudsakliga datamängden som samlades in 2018, avslöjar ett betydande överskott jämfört med den förväntade bakgrunden av endast 5,3 händelser.

Detta överskott leder till det första beviset för denna process (med en statistisk signifikans över "tre sigma"-nivån). Försämringshastigheten, mätt med 30 % precision, ger den mest exakta mätningen hittills av denna process. Resultatet överensstämmer med standardmodellens förväntningar, men lämnar fortfarande utrymme för nya fysikeffekter. Mer data behövs för att nå en definitiv slutsats om förekomsten eller inte av ny fysik.

Sannolikheten för att denna process ska inträffa, kallad "förgreningskvot", för den extremt sällsynta K ⁺ → π ⁺ νν sönderfallet är mycket litet och förutsägs inom standardmodellen för partikelfysik med hög precision:(8,4±1,0)×10 ^-11 . Detta leder till exceptionell känslighet för möjliga fenomen utöver standardmodellbeskrivningen, gör detta förfall till ett "gyllene läge", det vill säga en av de mest intressanta observerbara på partikelfysikens precisionsgräns. Den experimentella studien är dock extremt utmanande på grund av den lilla hastigheten, ett neutrinopar i sluttillståndet, och enorma potentiella bakgrundsprocesser. På grund av dess egenskaper, NA62-experimentet har utmärkt känslighet för en mängd sällsynta kaon-förfall och exotiska processer.

NA62-samarbetet förbereder sig för att samla in en ännu större datauppsättning 2021–24, när CERN SPS kommer att starta om driften, tar data med en högre strålintensitet med en förbättrad strållinje och detektorinställning. Nästa mål är en "fem sigma"-observation av K ⁺ → π ⁺ mitt förfall, följt av en mätning av avklingningshastigheten med 10 % precision, vilket ger ett kraftfullt oberoende test av standardmodellen för partikelfysik. Horisonten för ett nytt fysikprogram med en känslighet för avklingningshastigheter långt under 10 ^-11 nivån är nu i sikte.

På längre sikt, ett högintensivt kaon-stråleprogram börjar ta form, med utsikter att mäta K ⁺ → π ⁺ νν sönderfaller till några % precision, för att ta itu med det analoga förfallet av den neutrala kaon, KL → π ⁰ νν, och att nå extrem känslighet för en stor variation av sällsynta kaon-sönderfall som är komplement till undersökningar inom skönhetskvarksektorn.