Eksperyment KOTO zarejestrował cztery przypadki niezwykle rzadkiego rozpadu kaonu. Takiego zachowania nikt się nie spodziewał, ponieważ teoretyczne modele sugerowały wystąpienie zaledwie 0,1 takich zdarzeń. Ta kolosalna różnica sprawia, że naukowcy mówią o potencjalnym przełomie w fizyce cząstek elementarnych.
Anomalia w japońskim eksperymencie
Kaony należą do szczególnej kategorii mezonów, zbudowanych z pary kwark-antykwark. Jako hadrony odgrywają kluczową rolę w testowaniu fundamentalnych zasad fizyki. Ich rzadkie rozpady stanowią niezwykle czuły probierz Modelu Standardowego, który opisuje wszystkie znane nam cząstki elementarne i oddziaływania między nimi.
W eksperymencie KOTO badacze skupili się na specyficznym procesie rozpadu neutralnego kaonu długożyjącego na neutralny pion, neutrino i antyneutrino. Teoretycy przewidywali, że w całej próbce badawczej powinno wystąpić mniej niż ćwierć przypadku takiego zdarzenia. Tymczasem detektory zarejestrowały aż cztery wyraźne sygnały.
Czytaj także: Niezwykłe odkrycie w CERN. Czy to początek nowej ery w fizyce cząstek?
Różnica między obserwacją a przewidywaniami jest na tyle znacząca, że wyklucza statystyczną fluktuację. Kohsaku Tobioka z Florida State University zaznacza, że prawdopodobieństwo wystąpienia szumu pomiarowego w tym przypadku jest znikome, więc nawet pojedyncze zdarzenie wzbudziłoby poważne wątpliwości.
Znaczenie kaonów w fizyce
Kaony to cząstki o niezwykle krótkim czasie życia, rozpadające się na inne cząstki w ułamkach sekund. Ich neutralne, długożyjące wersje są szczególnie wartościowe dla fizyków, ponieważ Model Standardowy pozwala przewidywać ich rozpady z niebywałą precyzją.
Cząstki te służą jako naturalne laboratorium do testowania granic naszej wiedzy o wszechświecie. Wszelkie odstępstwa od teoretycznych przewidywań mogą sugerować istnienie nieznanych dotąd cząstek, oddziaływań lub nawet dodatkowych wymiarów rzeczywistości.
Badania kaonów są również integralną częścią szerszych badań nad symetrią CP – fundamentalną zasadą fizyki, która pomaga wyjaśnić dominację materii nad antymaterią we wszechświecie.
Potencjalne wyjaśnienia anomalii
Jeśli obserwacje się potwierdzą, fizycy będą musieli sięgnąć po teorie wykraczające poza obecne ramy nauki. Naukowcy z Florida State University przedstawili trzy główne scenariusze nowej fizyki mogące wyjaśnić zaobserwowaną anomalię.
Pierwszy zakłada istnienie ciężkich, nieznanych cząstek, które znacząco wzmacniają sygnał rozpadu. Drugi scenariusz sugeruje, że produkty rozpadu to w rzeczywistości nowa, lekka cząstka o długim czasie życia, która pozostaje niewidzialna dla obecnych detektorów.
Trzeci wariant jest najbardziej radykalny – proponuje całkowicie nową interpretację obserwowanych sygnałów jako produkcję nieznanej cząstki bezpośrednio w materiale eksperymentalnym, która następnie rozpada się na dwa fotony.
Takemichi Okui z zespołu badawczego przyznaje, że rozpad jest tak rzadki, iż w ogóle nie powinni niczego zaobserwować. Fakt zarejestrowania czterech zdarzeń wymaga fundamentalnego przemyślenia naszego rozumienia fizyki cząstek.
Ograniczenia i wyzwania
Nie wszystkie teoretyczne wyjaśnienia anomalii przetrwają konfrontację z innymi danymi eksperymentalnymi. Wyniki eksperymentu NA62 dotyczące podobnego rozpadu naładowanego kaonu pozostają zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego.
To nakłada istotne ograniczenia na modele nowej fizyki poprzez tak zwane wiązanie Grossmana-Nira – teoretyczną zasadę łączącą różne typy rozpadów kaonów. Oznacza to, że nie wszystkie proponowane wyjaśnienia anomalii KOTO mogą być poprawne.
Czytaj także: Naukowcy dokonali historycznej obserwacji poświęconej barionom. Uzyskali odpowiedź na kluczowe pytanie dotyczące wszechświata
Fizycy muszą teraz znaleźć modele, które jednocześnie wyjaśnią nadmiar zdarzeń w eksperymencie KOTO i zachowają zgodność z wynikami NA62. To matematyczne i teoretyczne wyzwanie może zająć długie lata.
Weryfikacja i perspektywy
Kluczowym zadaniem na najbliższe miesiące jest definitywne wykluczenie błędów eksperymentalnych jako przyczyny zaobserwowanych anomalii. W Japonii trwają specjalne serie pomiarów mające potwierdzić autentyczność wcześniejszych obserwacji.
Naukowcy muszą sprawdzić każdy element aparatury, przeanalizować wszystkie możliwe źródła szumu i upewnić się, że sygnały rzeczywiście pochodzą od rozpadów kaonów, a nie od niepożądanych procesów w tle.
Jeśli obserwacje KOTO zostaną potwierdzone, przewidywany współczynnik rozgałęzienia dla tego typu rozpadu byłby około stu razy większy niż przewidywania Modelu Standardowego. To stanowiłoby rewolucyjne odkrycie, porównywalne z największymi przełomami w historii fizyki cząstek.
Weryfikacja może potrwać miesiące lub nawet lata. Fizycy muszą zebrać więcej danych, udoskonalić metody analizy i przeprowadzić niezależne eksperymenty w innych laboratoriach na świecie. Dopiero wtedy będą mogli z pewnością stwierdzić, czy stoimy na progu odkrycia nowej fizyki, czy mamy do czynienia z bardzo wyrafinowanym błędem pomiarowym.