Gdy cząstki zachowują się inaczej, niż przewiduje teoria
Klucz do potencjalnego przełomu leży w badaniu niezwykle rzadkiego rozpadu cząstek subatomowych znanych jako mezony B. Eksperyment LHCb w CERN, skupiający się na analizie skutków zderzeń protonów, szczegółowo obserwował, jak mezony B transformują się w inne cząstki. Okazało się, że ten specyficzny sposób rozpadu – znany jako rozpad elektrosłaby typu “pingwin” – nie zgadza się z przewidywaniami Modelu Standardowego.
Termin “pingwin” odnosi się do szczególnego typu rozpadu, w którym mezon B transformuje się w cztery inne cząstki: kaon, pion i dwa miony. Choć nazwa może brzmieć zabawnie, proces ten jest niezwykle ważny, gdyż pozwala naukowcom śledzić, jak jeden typ fundamentalnego kwarka – kwark piękny – przekształca się w inny – kwark dziwny. Co istotne, ten “pingwinowy” rozpad jest niewiarygodnie rzadki: zaledwie jeden na milion mezonów B ulega takiej transformacji.
Model Standardowy: Filary naszej wiedzy i jego słabe punkty
Przez ostatnie 50 lat Model Standardowy stanowił niezawodny fundament fizyki cząstek elementarnych. Opierając się na dwóch filarach XX wieku – mechanice kwantowej i szczególnej teorii względności Einsteina – z powodzeniem opisywał interakcje fundamentalnych cząstek materii oraz trzech z czterech podstawowych sił: elektromagnetycznej, słabej i silnej. Cząstki te są najmniejszymi znanymi jednostkami materii, których nie da się dalej podzielić.
Czytaj także: Świat nauki stanął u progu załamania. Fizycy wydali werdykt w sprawie anomalii mionu
Jednak, pomimo swoich sukcesów, Model Standardowy jest teorią niekompletną. Nie uwzględnia on grawitacji i, co równie ważne, nie potrafi wyjaśnić istnienia ciemnej materii – niewidzialnej formy materii, która stanowi około 25% Wszechświata. To właśnie te luki skłaniają naukowców do nieustannego poszukiwania fizyki “poza Modelem Standardowym”, a gigantyczny akcelerator LHC, mieszczący się w 27-kilometrowym tunelu pod granicą francusko-szwajcarską, został zaprojektowany właśnie w tym celu.
Narastające napięcie: Statystyczne dowody, które nie pasują
Wyniki z LHCb, opublikowane w prestiżowym “Physical Review Letters”, wskazują na napięcie wynoszące cztery odchylenia standardowe względem przewidywań Modelu Standardowego. W praktyce oznacza to, że prawdopodobieństwo przypadkowego wystąpienia tak ekstremalnej fluktuacji w danych, gdyby Model Standardowy był poprawny, wynosi zaledwie jeden do 16 000. Chociaż to jeszcze nie “złoty standard” nauki, czyli pięć sigma (pięć odchyleń standardowych, odpowiadające szansie jeden do 1,7 miliona), dowody zaczynają się kumulować.
Co więcej, wcześniejsze wyniki, opublikowane na początku 2025 roku przez niezależny eksperyment CMS, również działający w LHC, zgadzają się z obserwacjami LHCb. Choć dane z CMS nie są tak precyzyjne, ich zbieżność znacząco wzmacnia argumenty na rzecz istnienia anomalii.
Co dalej? Poszukiwanie nowych cząstek i teorii
To przełomowe odkrycie otwiera drzwi do szerokiej gamy nowych teorii, które mogłyby wyjaśnić zaobserwowane niezgodności. Wśród nich często wymienia się lepto-kwarki – hipotetyczne cząstki, które łączyłyby dwa różne typy materii: leptony i kwarki. Inne teorie sugerują istnienie masywniejszych odpowiedników cząstek już znanych z Modelu Standardowego. Te nowe wyniki pomogą naukowcom zawęzić zakres poszukiwań i skierować przyszłe eksperymenty.
Czytaj także: Najdokładniejszy pomiar rozmiarów protonu w historii. Niemieccy fizycy potwierdzają Model Standardowy
Jednak, jak to często bywa w nauce, istnieją otwarte pytania. Jedno z nich dotyczy tzw. “czarujących pingwinów” – procesów w Modelu Standardowym, których wkład jest niezwykle trudny do precyzyjnego przewidzenia. Obecne szacunki wskazują jednak, że ich wpływ nie jest na tyle duży, by wyjaśnić zaobserwowane dane.
Nadzieja na definitywne rozstrzygnięcie leży w nowych danych. Obecne badanie opierało się na analizie około 650 miliardów rozpadów mezonów B zarejestrowanych w latach 2011-2018. Od tego czasu eksperyment LHCb zgromadził trzykrotnie więcej danych, które zostaną szczegółowo przeanalizowane w najbliższych latach. Dalsze plany na lata 2030. obejmują modernizację LHC, co pozwoli na zgromadzenie zbioru danych 15-krotnie większego. Ten ostateczny krok ma umożliwić naukowcom wysunięcie definitywnych roszczeń i, być może, odblokowanie zupełnie nowego zrozumienia działania Wszechświata na najbardziej elementarnym poziomie.
