Wetenschappers van CERN hebben gerapporteerd over hun eerste significante bewijs voor een proces dat wordt voorspeld door theorie, de weg vrijmaken voor zoektochten naar bewijs van nieuwe fysica in deeltjesprocessen die donkere materie en andere mysteries van het universum zouden kunnen verklaren.

Vandaag de CERN NA62 samenwerking, die gedeeltelijk wordt gefinancierd door de Britse Science and Technology Facilities Council (STFC) en waarbij een aantal Britse wetenschappers betrokken zijn, presenteerde op de ICHEP 2020-conferentie in Praag het eerste significante experimentele bewijs voor het uiterst zeldzame verval van het geladen kaon in een geladen pion en twee neutrino's, (d.w.z. K ⁺ → ⁺ ).

Het vervalproces is belangrijk in baanbrekend natuurkundig onderzoek omdat het zo gevoelig is voor afwijkingen van theoretische voorspellingen. Dit betekent dat het een van de meest interessante dingen is om te observeren voor natuurkundigen die op zoek zijn naar bewijs om een ​​alternatief theoretisch model in de deeltjesfysica te ondersteunen.

Professor Mark Thomson, deeltjesfysicus en uitvoerend voorzitter van STFC, zei dat dit een opwindende vooruitgang was omdat het resultaat laat zien hoe nauwkeurige metingen van dit proces tot nieuwe fysica kunnen leiden, voorbij het standaardmodel van deeltjesfysica ontwikkeld in de jaren 1970:

"Het standaardmodel beschrijft de fundamentele krachten en bouwstenen van het universum. Het is een zeer succesvolle theorie, maar er zijn verschillende mysteries van het universum die het standaardmodel niet verklaart, zoals de aard van donkere materie en de oorsprong van de onbalans tussen materie en antimaterie in het universum.

"Natuurkundigen hebben gezocht naar theoretische uitbreidingen van het standaardmodel. Metingen van ultra-zeldzame processen bieden een opwindende mogelijkheid om deze mogelijkheden te verkennen, met de hoop nieuwe natuurkunde te ontdekken die verder gaat dan het standaardmodel."

De Britse deelnemers aan dit onderzoek zijn afkomstig van de universiteiten van Birmingham, Bristol, Glasgow en Lancaster, en zijn gefinancierd door STFC, dat deel uitmaakt van UK Research and Innovation, evenals door de Royal Society en de European Research Council (ERC).

Het NA62-experiment is ontworpen en gebouwd, met een aanzienlijke bijdrage van het VK, specifiek voor het meten van deze ultra-zeldzame kaon-verval, van kaonen geproduceerd door een unieke protonenbundel met hoge intensiteit die wordt geleverd door het CERN-versnellercomplex. De kaonen worden gecreëerd door hoogenergetische protonen van CERN's Super Proton Synchrotron (SPS) in een stationair beryllium-doelwit te laten botsen. Dit creëert een bundel secundaire deeltjes die bijna een miljard deeltjes per seconde bevat en verspreidt, ongeveer 6% daarvan zijn kaonen. Het belangrijkste doel van NA62 is om precies te meten hoe het geladen kaondeeltje vervalt in een pion en een neutrino-antineutrino-paar. Het VK heeft een sterke leidende rol in de K ⁺ → ⁺ νν vervalanalyse.

"Dit kaon-vervalproces wordt het 'gouden kanaal' genoemd vanwege de combinatie van zowel ultrazeldzaam als uitstekend voorspeld in het standaardmodel. Het is erg moeilijk vast te leggen en houdt een echte belofte in voor wetenschappers die op zoek zijn naar nieuwe fysica, " legt professor Cristina Lazzeroni uit, Deeltjesfysicus aan de Universiteit van Birmingham, en woordvoerder van NA62.

"Dit is de eerste keer dat we significant experimenteel bewijs voor dit vervalproces hebben kunnen verkrijgen. Het is een opwindend moment omdat het een fundamentele stap is in het vastleggen van de precieze meting van het verval en het identificeren van mogelijke afwijkingen van het standaardmodel.

"Beurtelings, dit zal ons in staat stellen nieuwe manieren te vinden om ons universum te begrijpen. De instrumenten en technieken die in het NA62-experiment zijn ontwikkeld, zullen leiden tot de volgende generatie van zeldzame experimenten met kaonverval."

Het nieuwe resultaat gemeten met een nauwkeurigheid van 30%, geeft de meest nauwkeurige meting tot nu toe van dit proces. Het resultaat komt overeen met de verwachting van het standaardmodel, maar laat nog steeds ruimte voor het bestaan ​​van nieuwe deeltjes.

Er zijn meer gegevens nodig om tot een definitieve conclusie te komen over het al dan niet aanwezig zijn van nieuwe fysica.

STFC Ernest Rutherford Fellow Dr. Giuseppe Ruggiero van Lancaster University is sinds 2016 de leidende analist voor deze meting, en hielp bij het opzetten van het experiment. Hij zei:

"Het analyseren van de gegevens van het experiment vormde een echte uitdaging. We moesten een enorme hoeveelheid ongewenste gegevens onderdrukken, met ongeveer duizend miljard keer. En we moesten dit doen zonder het kleine signaal dat we wilden detecteren te verliezen. Dit is een veel grotere uitdaging dan het vinden van een speld in een miljoen hooibergen! We gebruikten een methode die blinde analysetechniek wordt genoemd. zo genoemd, omdat de analyse wordt gedaan zonder in de regio te kijken, of "blinde doos", waar het signaal hoort te zijn."

STFC financierde ook twee Ernest Rutherford Fellowships, een aan de Universiteit van Liverpool en vervolgens Lancaster, en één aan de Universiteit van Birmingham. In aanvulling, drie promovendi aan de Universiteit van Birmingham kregen steun van STFC en één werkt nu als postdoctoraal onderzoeker aan het project. Alle vijf 'early-career' fysici hebben aan het project meegewerkt.

De gegevens die in het onderzoek zijn gebruikt, zijn tussen 2016-2018 genomen op de Prevessin-site van CERN, In Frankrijk, en bij het onderzoek zijn meer dan 200 wetenschappers van 31 instellingen betrokken. In 2021 begint een nieuwe periode van gegevensverzameling en zal de NA62-samenwerking in staat stellen een meer definitief antwoord te geven op de kwestie van nieuwe fysica.

De bevindingen

Het nieuwe resultaat komt van een gedetailleerde analyse van de volledige NA62-dataset die tot nu toe is verzameld, overeenkomend met een belichting van 6×10 ¹² kaon vervalt. Omdat het gemeten proces zo zeldzaam is, het team moest bijzonder voorzichtig zijn om niets te doen dat het resultaat zou kunnen vertekenen. Om die reden, het experiment is uitgevoerd als een 'blinde analyse', waarbij natuurkundigen in eerste instantie alleen naar de achtergrond kijken om te controleren of hun begrip van de verschillende bronnen klopt.

Pas als ze daar tevreden mee zijn, ze kijken naar de regio van de gegevens waar het signaal naar verwachting zal zijn; dit wordt "blinde analyse" genoemd. Na een blinde analyse, zeventien K ⁺ → ⁺ νν kandidaten worden geobserveerd in de belangrijkste dataset verzameld in 2018, het onthullen van een aanzienlijke overschrijding ten opzichte van de verwachte achtergrond van slechts 5,3 gebeurtenissen.

Deze overmaat leidt tot het eerste bewijs voor dit proces (met een statistische significantie boven het "drie sigma"-niveau). De vervalsnelheid, gemeten met een nauwkeurigheid van 30%, geeft de meest nauwkeurige meting tot nu toe van dit proces. Het resultaat komt overeen met de verwachting van het standaardmodel, maar laat nog steeds ruimte voor nieuwe natuurkundige effecten. Er zijn meer gegevens nodig om tot een definitieve conclusie te komen over het al dan niet aanwezig zijn van nieuwe fysica.

De kans dat dit proces plaatsvindt, genaamd "vertakkingsverhouding", voor de ultra-zeldzame K ⁺ → ⁺ νν verval is erg klein en voorspeld binnen het standaardmodel van deeltjesfysica tot een hoge precisie:(8,4 ± 1,0) × 10 ^-11 . Dit leidt tot een uitzonderlijke gevoeligheid voor de mogelijke fenomenen die verder gaan dan de beschrijving van het standaardmodel, waardoor dit verval een "gouden modus" wordt, d.w.z. een van de meest interessante waarnemingen aan de precisiegrens van de deeltjesfysica. De experimentele studie is echter uiterst uitdagend vanwege de kleine snelheid, een neutrinopaar in de eindtoestand, en enorme potentiële achtergrondprocessen. Door zijn kenmerken, het NA62-experiment heeft een uitstekende gevoeligheid voor een verscheidenheid aan zeldzame kaon-verval en exotische processen.

De NA62-samenwerking bereidt zich voor om een ​​nog grotere dataset te verzamelen in 2021-24, wanneer de CERN SPS weer in bedrijf zal zijn, het nemen van gegevens met een hogere bundelintensiteit met een verbeterde bundellijn en detectoropstelling. Het volgende doel is een "vijf sigma"-waarneming van de K ⁺ → ⁺ νν verval, gevolgd door een meting van de vervalsnelheid tot een nauwkeurigheid van 10%, waardoor een krachtige onafhankelijke test het standaardmodel van de deeltjesfysica wordt geboden. De horizon van een nieuw natuurkundig programma met een gevoeligheid voor vervalsnelheden ver onder de 10 ^-11 niveau is nu in zicht.

Voor de toekomst op langere termijn, een kaon-bundelprogramma met hoge intensiteit begint vorm te krijgen, met vooruitzichten om de K . te meten ⁺ → ⁺ νν verval tot een paar procent nauwkeurig, om het analoge verval van de neutrale kaon aan te pakken, KL → ⁰ ik, en om extreme gevoeligheden te bereiken voor een grote verscheidenheid aan zeldzame kaon-verval die complementair zijn aan onderzoeken in de beauty quark-sector.