Uit de gegevens verzameld door de LHCb-detector bij de Large Hadron Collider, het lijkt erop dat de deeltjes die bekend staan ​​als charme-mesonen en hun antimaterie-tegenhangers niet in perfect gelijke verhoudingen worden geproduceerd. Natuurkundigen uit Krakau hebben hun eigen verklaring voor dit fenomeen voorgesteld en gerelateerde voorspellingen gepresenteerd over gevolgen die vooral interessant zijn voor hoogenergetische neutrino-astronomie.

In de eerste ogenblikken na de oerknal, het universum was gevuld met gelijke hoeveelheden deeltjes en antideeltjes. Terwijl het afkoelde, materie en antimaterie begonnen samen te smelten en te vernietigen, straling worden. De materie die de vernietiging heeft overleefd, omvat nu het universum, maar deze onbalans wordt slecht begrepen. Om dit grote mysterie van de moderne wetenschap te ontcijferen, natuurkundigen proberen alle mechanismen die verantwoordelijk zijn voor zelfs de kleinste disproporties in de productie van deeltjes en antideeltjes beter te begrijpen. Een groep wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, geassocieerd met het LHCb-experiment bij de Large Hadron Collider in Genève, heeft onlangs een van deze processen onderzocht:de asymmetrie die optreedt bij de geboorte van charm-mesonen en antitimesons. De conclusies uit de analyse kunnen van zeer tastbare praktische betekenis zijn.

Volgens de moderne natuurkunde quarks zijn de belangrijkste ondeelbare bouwstenen waaruit materie bestaat. We kennen zes smaken quarks:up (u), naar beneden (d), vreemd (en), charme (c), onder (b) en boven (t); elke smaak heeft ook zijn eigen antimaterie-tegenhanger (vaak gemarkeerd met een streepje boven de letter, lezen als "balk"). Quarks worden over het algemeen gevormd in quark-antiquark-paren. Het zijn uiterst sociale deeltjes:vrijwel direct na het ontstaan, ze binden zich in hadronen, of groepen van twee, drie, en soms meer quarks of antiquarks, gebonden met gluonen (d.w.z. deeltjes die sterke nucleaire interacties overdragen). Het proces van het combineren van quarks/antiquarks tot complexen wordt hadronisatie genoemd.

Instabiele hadronen opgebouwd uit quark-antiquark-paren worden mesonen genoemd. Als een van de quarks in een meson een charm-quark is, het deeltje wordt een charm-meson genoemd en wordt aangeduid met de letter D (of voor de charm antiquark:D met een balk erboven). Een paar opgebouwd uit een charm-quark en een down-antiquark is een D+ meson, en een bestaande uit een charm-antiquark en een down-quark is een D-meson.

In metingen die in de laatste kwart eeuw zijn uitgevoerd, waaronder onlangs als onderdeel van het LHCb-experiment, een interessante asymmetrie werd opgemerkt. Het bleek dat D+ en D- mesonen niet altijd in exact dezelfde verhoudingen worden geproduceerd. In het geval van processen waargenomen in LHCb, geïnitieerd in botsingen van tegenstroombundels van hoogenergetische protonen, deze asymmetrie was klein, minder dan één procent.

"Charm-quarks worden voornamelijk gevormd tijdens gluonbotsingen in zogenaamde harde interacties, en na de geboorte, ze haddenroniseren tot D-mesonen. We onderzochten een ander mesonenvormingsmechanisme, bekend als ongunstige quark-fragmentatie. Hier, het charmemeson ontstaat als resultaat van hadronisatie van een lamp (omhoog, omlaag, of vreemd) quark of antiquark. Door de nuances van dit mechanisme, de asymmetrie tussen kaonen en antikaonen, d.w.z. K+ en K- mesonen, eerder werd uitgelegd. Tot nu, echter, er is niet onderzocht of een soortgelijk mechanisme de asymmetrie tussen de relatief massieve D+ en D- mesonen zou kunnen verklaren, " zegt Dr. Rafal Maciula (IFJ PAN), de eerste auteur van de publicatie in het tijdschrift Fysieke beoordeling D .

De LHCb-detector meet voornamelijk deeltjes die divergeren vanaf het botsingspunt van protonen onder grote hoeken met de oorspronkelijke bewegingsrichting van deze protonen. Volgens de fysici uit Krakau, de asymmetrie in de productie van D-mesonen zou veel groter moeten zijn als rekening wordt gehouden met deeltjes die in voorwaartse richting worden geproduceerd, dat is, in de richting van de protonenbundels. Dit betekent dat de momenteel waargenomen wanverhouding slechts het topje van een ijsberg kan zijn. Berekeningen suggereren dat in het geval van "voorwaartse" botsingen, ongunstige fragmentatie (d, jij, s'D) kan vergelijkbaar zijn met conventionele fragmentatie (c'D). Als resultaat, de asymmetrie tussen D+ en D- mesonen kan een hoog percentage bereiken, zelfs bij lagere botsingsenergieën dan die welke momenteel in de LHC voorkomen.

Het onderzoek van de natuurkundigen van de IFJ PAN kan verstrekkende gevolgen hebben voor neutrino-observatoria zoals de IceCube Observatory op Antarctica. Deze detector, waarin 49 wetenschappelijke instellingen uit 12 landen samenwerken, bewaakt een kubieke kilometer ijs, bijna een kilometer onder het oppervlak gelegen, met behulp van duizenden fotomultiplicatoren. Fotomultipliers volgen subtiele lichtflitsen die worden geïnitieerd door de interactie van ijsvormende deeltjes met neutrino's, elementaire deeltjes die zeer zwak interageren met gewone materie.

IceCube registreert enkele honderden neutrino's per dag. Het is bekend dat een groot deel ervan in de atmosfeer van de aarde wordt gecreëerd in processen die worden geïnitieerd door kosmische straling en plaatsvinden met de deelname van protonen. Andere neutrino's kunnen afkomstig zijn van de kern van de aarde of van de zon. Het wordt verondersteld, echter, dat neutrino's met aanzienlijke energieën de detector rechtstreeks hebben bereikt vanuit verre kosmische bronnen, inclusief supernova's, samensmeltende zwarte gaten of neutronensterren.

"Bij het interpreteren van gegevens van de IceCube-detector, de productie van neutrino's in de atmosfeer van de aarde veroorzaakt door gewone kosmische straling, inclusief botsingen met protonen, rekening wordt gehouden. Het punt is dat sommige van deze processen, resulterend in de vorming van neutrino's met hoge energieën, plaatsvinden met de deelname van D mesons. In de tussentijd, we laten zien dat het productiemechanisme van deze mesonen in de atmosfeer veel efficiënter kan zijn dan eerder werd gedacht. Dus, als onze veronderstellingen worden bevestigd, enkele van de geregistreerde hoog-energetische neutrino's, nu beschouwd als van kosmische oorsprong, zijn eigenlijk net boven onze hoofden verschenen en verstoren het echte beeld van gebeurtenissen in de diepten van de ruimte, " legt prof. Antoni Szczurek (IFJ PAN) uit.

Wanneer nog maar het topje van de ijsberg te zien is, gevolgtrekkingen over hoe de rest eruit ziet, is meer dan riskant. Het model dat door de fysici uit Krakau wordt voorgesteld, heeft tegenwoordig de status van een hypothese. Misschien beschrijft het wel volledig het mechanisme dat zich in de werkelijkheid voordoet. Maar het kan ook zijn dat andere processen verantwoordelijk zijn voor de asymmetrie in de productie van D-mesonen, misschien gedeeltelijk of zelfs in hun geheel.

"Gelukkig, geen enkel ander concurrerend voorstel voorspelt zo'n duidelijke toename van asymmetrie in de productie van D-mesonen bij lagere botsingsenergieën. Dus om onze aannames te controleren, het zou in de LHC-versneller volstaan ​​om een ​​enkele straal op een stationair doel te richten, wat de botsingsenergie aanzienlijk zou verminderen. Ons model voldoet dus aan de criteria van zeer betrouwbare wetenschap:het verklaart niet alleen eerdere waarnemingen, maar vooral, het kan snel worden geverifieerd. In aanvulling, dit kan heel goedkoop, " zegt prof. Szczurek.