Kaonii care se comportă greșit ar putea sugera existența unor noi particule

Un tip puțin cunoscut de particulă numită kaon ar putea păși în lumina reflectoarelor.

Particulele subatomice exotice atrag atenția pentru comportamentul lor neașteptat într-un experiment la un accelerator de particule japonez. Dezintegrarile rare ale kaonului par să se întâmple mai frecvent decât se aștepta, conform experimentului KOTO. Dacă rezultatul rezistă la o analiză ulterioară, ar putea sugera particule nevăzute până acum, care ar detrona teoria dominantă a fizicienilor de particule, modelul standard.

Există încă șanse mari ca rezultatul KOTO să fie anulat, spune Yuval Grossman de la Universitatea Cornell. Dar „există posibilitatea extrem de interesantă ca ei să vadă ceva cu totul nou”.

Modelul standard descrie particulele și forțele care stau la baza universului. Dar mai sunt puzzle-uri de rezolvat, cum ar fi de ce există mai multă materie decât antimaterie în univers (SN: 25/11/19). Așadar, fizicienii nu lasă nicio piatră – sau kaon – neîntors în eforturile de a testa teoria. Un tărâm supus controlului este dezintegrarea foarte rare a kaonilor. Modelul standard prezice cu exactitate cât de rare sunt aceste dezintegrari, iar KOTO, cu sediul la Complexul de Cercetare Acceleratorului de Protoni din Japonia din Tokai, a fost construit pentru a testa această predicție.

Conform modelului standard, KOTO ar fi trebuit să observe doar o fracțiune de degradare, în medie, pe parcursul a câțiva ani de date. Dar în septembrie anul trecut, la Conferința Internațională despre Fizica Kaonului din Perugia, Italia, cercetătorii de la KOTO au raportat preliminar o recompensă de patru dezintegrari potențiale.

„Este uluitor cu siguranță”, spune fizicianul Yau Wah de la Universitatea din Chicago, co-purtătorul de cuvânt al KOTO. Dar experimentele de fizică a particulelor sunt renumite pentru semnale false care pot imita particulele reale (SN: 8/5/16). Trebuie făcute studii suplimentare înainte de a afirma că degradarile sunt reale, spune Wah.

Asta nu i-a împiedicat pe fizicieni să ia în considerare implicațiile. Deja, o serie de lucrări științifice au propus explicații pentru anomalie.

KOTO caută o anumită descompunere a unui kaon în alte trei particule. Una dintre acele particule, un pion, produce lumină pe care KOTO o detectează. Ceilalți doi, un neutrin și un antineutrin, navighează prin detector fără nicio clipă. Asta înseamnă că KOTO caută o semnătură specifică: un pion și nimic altceva. O posibilă explicație pentru cele patru dezintegrare este că kaonul s-ar putea descompune într-un pion plus un nou tip de particule care, ca neutrinii, nu lasă urme. Acest scenariu ar reproduce semnătura cu un pion pe care o caută KOTO și s-ar putea întâmpla mai des, explicând dezintegrarile suplimentare.

Dar există o captură. KOTO studiază kaonii care nu au sarcină electrică, dar alte experimente care studiază kaonii încărcați nu văd nicio anomalie. Această discrepanță este dificil de explicat: dacă noua particulă ar exista cu adevărat, ar trebui să apară pentru ambele tipuri de kaoni.

Cu toate acestea, există modalități de a evita această problemă, raportează fizicianul Teppei Kitahara și colegii într-o lucrare acceptată în Scrisori de revizuire fizică. De exemplu, dimensiunile diferite ale experimentelor cu kaon ar putea face parte din răspuns. La doar câțiva metri lungime, „KOTO este foarte mic” în comparație cu alte experimente cu kaon, spune Kitahara, de la Universitatea Nagoya din Japonia. „Acest lucru înseamnă că noi particule instabile pot scăpa cu ușurință de detector.”

Într-un detector mai mare, este mai greu ca particulele să scape neobservate. Noua particulă s-ar putea descompune în alte particule care ar putea fi reperate, astfel încât semnătura unui pion a kaonilor în descompunere să nu fie reprodusă. Asta ar putea explica de ce KOTO vede dezintegrari în exces, dar alte experimente nu.

Problemele apar nu numai în potențiala evadare a particulelor din aparatele de laborator, ci și din stelele care explodează sau supernove, care ar putea produce noi particule. Dacă acele particule scapă dintr-o supernova, ar transporta energie cu ele. Dar această pierdere de energie ar distruge bugetul de energie cunoscut al supernovelor, făcând unele explicații pentru dezintegrarea kaonului insuportabile, au raportat fizicianul Bhupal Dev de la Universitatea Washington din St. Louis și colegii săi, pe 27 noiembrie, pe arXiv.org. Deci, Dev și colegii săi propun o particulă care ar fi prinsă în interiorul supernovelor prin interacțiunile sale cu alte particule.

Oamenii de știință iau în considerare, de asemenea, potențiale conexiuni cu alte puzzle-uri de fizică. De exemplu, măsurătorile experimentale nu sunt de acord cu predicțiile pentru proprietățile magnetice ale particulelor asemănătoare electronilor numite muoni (SN: 19/09/18). „Dacă vrei să explici asta… ai nevoie de un model dincolo de modelul standard”, spune fizicianul Xiaoping Wang de la Laboratorul Național Argonne din Lemont, Illinois. Ea și colegii au venit cu o particulă ipotetică care ar putea explica simultan enigma muonului și kaonul neașteptat se descompune, informează echipa pe 17 ianuarie pe arXiv.org.

În timp ce Grossman este sceptic că rezultatul lui KOTO va rămâne, el admite că, în adâncul sufletului, speră că este real. „Când mergi pe un teritoriu total neexplorat, trebuie să fii întotdeauna pregătit pentru surprize.”