Delec, ki bi zamajal temelje fizike
V Cernu preverjajo podatke, ki bi lahko vsebovali nov nepričakovan osnovni delec
Odpri galerijo
Morda prelomni dogodek za moderno fiziko so zaznali med eksperimentom z detektorjem CMS. Vir Cern
Ko so leta 2012 opazili Higgsov bozon, je bilo čutiti izjemno navdušenje nad odkritjem, leto pozneje so zanj podelili Nobelovo nagrado za fiziko. Delec je dopolnil standardni model, trenutno najboljšo teorijo, ki pojasnjuje naravo na ravni delcev.
Znanstveniki, ki upravljajo veliki hadronski trkalnik v laboratoriju Evropske organizacije za jedrske raziskave (CERN), pa prav zdaj preverjajo, ali so morda opazili še en delec, ki so ga zaznali kot skok oziroma vrh v veliki količini podatkov. Strokovnjaki za fiziko osnovnih delcev so nadvse vznemirjeni, a je poleg navdušenja čutiti tudi zaskrbljenost, kajti v nasprotju s Higgsovim delcem, ki je potrdil naše razumevanje fizične resničnosti, se zdi, da bi ga novi delec lahko ogrozil.
Novi rezultat – oziroma skrivnostni vrh v podatkih pri 28 GeV (enota za energijo) – so objavili v spletnem arhivu ArXiv, ne pa še v eni od revij, v katerih objavljene članke preverjajo drugi strokovnjaki, vendar to ni nič posebnega. Skupne objave strokovnjakov, ki uporabljajo veliki hadronski trkalnik, vedno zelo natančno preverijo že pred objavami, zato se lahko zanesemo na to, da so se avtorji pravilno lotili številk, ko so poročali, da je »statistična signifikanca signala znašala 4,2 standardne deviacije«. To pomeni, da je verjetnost, da so izmerili tako visok vrh po naključju oziroma da ga je ustvaril naključen šum v podatkih, ne pa dejanski delec, samo 0,0013 odstotka. To je izjemno majhna možnost – 13 proti milijon. Zato se zdi, da gre za dejanski dogodek, vendar za zdaj kljub temu še nihče ne odpira šampanjca.
Med eksperimenti v velikem hadronskem trkalniku, namenjenem trkanju žarkov protonov, delcev v atomskem jedru, večkrat odkrijejo dokaze o novih, eksotičnih delcih, in to tako, da opazujejo nenavadno kopičenje znanih delcev, denimo delcev svetlobe fotonov ali elektronov. Znanstvenikom to uspeva zato, ker so težki in »nevidni« delci, kakršni so Higgsovi bozoni, pogosto nestabilni in večkrat razpadejo oziroma se razkrojijo v lažje delce, ki jih je laže opaziti. Takšne delce lahko iščemo v eksperimentalnih podatkih in poskušamo ugotoviti, ali so nastali zaradi razpadanja težjih delcev. Veliki hadronski trkalnik je tako odkril številne nove delce, ki so vsi ustrezali standardnemu modelu.
360 stopinjski pogled na Veliki hadronski trkalnik ob Ženevskem jezeru:
Tokratni, morda prelomni dogodek so opazili med eksperimentom z detektorjem CMS, ki je zaznal več parov mionov – dobro znanih delcev, ki jih zlahka odkrijejo in so podobni elektronom, toda težji. Analizirali so njihove energije in smeri gibanja ter se vprašali: če je ta par nastal zaradi razpada enega samega izvornega delca, kakšna bi bila masa tega izvornega delca?
Pari mionov večinoma nastanejo iz različnih virov – nastanejo po dveh različnih dogodkih, ne pa z razpadom enega samega delca. Če bi pri takšnih primerih poskušali izračunati maso izvornega delca, bi se energija enakomerneje razporedila in ne bi ustvarila ozkega vrha ravno pri 28 GeV (ali pri neki drugi energiji) v podatkih. Toda tokrat se zdi, da gre res za vrh.
Pa je to dejanski vrh ali gre samo za statistično nihanje zaradi naključne razporeditve točk v ozadju? Če drži prvo, to pomeni, da je nekaj parov mionov res nastalo samo iz velikega izvornega delca – in takšnega delca z 28 GeV še nikoli nihče ni opazil.
Vse to je slišati vznemirljivo, vendar nas je zgodovina naučila, da moramo biti previdni. Takšne izjemne primere so znanstveniki že odkrili, a so jih nato demantirali, ko so upoštevali več podatkov. Pred kratkim se je zgodila dvofotonska anomalija »The Digamma (750)«, ki je bila samo eden od številnih lažnih alarmov oziroma domnevnih odkritij, ki so bili posledica začasno nepravilnega delovanja opreme, prevelike navdušenosti med analizo ali kratko malo nesrečnega naključja.
To deloma lahko razložimo s statističnim pristopom »poglej drugam« (angl. look-elsewhere effect): verjetnost, da bo naključen šum povzročil vrh prav pri vrednosti 28 GeV, je res morda 13 proti milijon, vendar bi takšen šum lahko povzročil vrh tudi pri drugi vrednosti, denimo pri 29 ali 16 GeV. Tudi pri teh vrednostih je verjetnost, da bi se to zgodilo, zelo majhna, če bi obravnavali vsako posebej, vendar seštevek vseh teh majhnih verjetnosti ni več tako zelo majhen (čeprav še vedno razmeroma majhen). To pomeni, da ni mogoče izključiti možnosti, da je vrh nastal zaradi naključnega šuma.
Poleg tega moramo poznati nekaj težko razložljivih okoliščin: vrh v energijskem spektru se je denimo pojavil pri enem zagonu trkalnika, ne pa tudi pri drugem, ko so podvojili količino energije. Pričakovali bi lahko, da se bo katerikoli novi pojav okrepil, če bo na voljo več energije. Morda obstajajo za to ustrezni razlogi, vendar za zdaj takšna okoliščina ostaja neprijetno dejstvo.
V teoriji je še več nedoslednosti: tako kakor eksperimentalni fiziki osnovnih delcev iščejo nove delce, poskušajo teoretiki razmišljati o tistih novih delcih, ki bi jih bilo smiselno iskati – o delcih, ki bi zapolnili vrzeli v standardnem modelu ali pojasnili temno snov ali oboje. Vendar še nihče ni predlagal nič podobnega omenjenemu delcu.
Teoretiki, denimo, pravijo, da bi lahko odkrili lažjo različico Higgsovega bozona. Toda takšni delci ne bi razpadli na mione. Omenjali so tudi lahek bozon Z ali težek foton, vendar bi takšna delca vplivala na elektrone, ti pa nanju. To pomeni, da bi ju verjetno že odkrili, saj elektrone zlahka zaznamo. Morebiten novi delec nima takšnih lastnosti, o kakršnih govorijo teoretiki.
Če takšen delec v resnici obstaja, je ne samo zunaj standardnega modela, ampak zunaj tega modela na način, ki ga nihče ni pričakoval. Tako kakor se je Newtonova gravitacija umaknila Einsteinovi splošni relativnosti, bo tudi standardni model zamenjalo nekaj drugega. Vendar ga morda ne bo zamenjal eden od priljubljenih kandidatov, ki naj bi po pričakovanjih teoretikov razširil standardni model – supersimetrija, dodatne dimenzije ali veliko poenotenje. Vse omenjene teorije govorijo o novih delcih, a nobena ne omenja delcev s takšnimi lastnostmi, kakršne ima delec, ki smo ga morda pred kratkim opazili. Teorija bo morala biti zelo nenavadna, saj je za zdaj ni še nihče predlagal.
K sreči je Atlas, drugi veliki detektor v Cernu, med delovanjem pridobil podobne podatke. Skupina strokovnjakov jih še vedno analizira in bo kmalu poročala o njih. Če bi cinično pogledali na pretekle izkušnje, bi rekli, da bodo sporočili, da niso nič odkrili, rezultat pa se bo pridružil drugim statističnim nihanjem. Morda – samo morda – pa bodo vendarle nekaj odkrili. In nato bo življenje eksperimentalnih in teoretičnih fizikov nenadoma postalo zelo živahno.
–––
Roger Barlow je znanstveni raziskovalec in direktor mednarodnega inštituta za uporabo pospeševalnikov na Univerzi v Huddersfieldu. Članek je preveden s spletne strani theconversation.com.
Znanstveniki, ki upravljajo veliki hadronski trkalnik v laboratoriju Evropske organizacije za jedrske raziskave (CERN), pa prav zdaj preverjajo, ali so morda opazili še en delec, ki so ga zaznali kot skok oziroma vrh v veliki količini podatkov. Strokovnjaki za fiziko osnovnih delcev so nadvse vznemirjeni, a je poleg navdušenja čutiti tudi zaskrbljenost, kajti v nasprotju s Higgsovim delcem, ki je potrdil naše razumevanje fizične resničnosti, se zdi, da bi ga novi delec lahko ogrozil.
Vrh, ki so ga zaznali med podatki. Vir Kolaboracija CMS/Cern
Novi rezultat – oziroma skrivnostni vrh v podatkih pri 28 GeV (enota za energijo) – so objavili v spletnem arhivu ArXiv, ne pa še v eni od revij, v katerih objavljene članke preverjajo drugi strokovnjaki, vendar to ni nič posebnega. Skupne objave strokovnjakov, ki uporabljajo veliki hadronski trkalnik, vedno zelo natančno preverijo že pred objavami, zato se lahko zanesemo na to, da so se avtorji pravilno lotili številk, ko so poročali, da je »statistična signifikanca signala znašala 4,2 standardne deviacije«. To pomeni, da je verjetnost, da so izmerili tako visok vrh po naključju oziroma da ga je ustvaril naključen šum v podatkih, ne pa dejanski delec, samo 0,0013 odstotka. To je izjemno majhna možnost – 13 proti milijon. Zato se zdi, da gre za dejanski dogodek, vendar za zdaj kljub temu še nihče ne odpira šampanjca.
0,0013
odstotka znaša verjetnost, da so skrivnostni delec izmerili po naključju oziroma da je proizvod šumaKaj pravijo podatki
0,0013
odstotka znaša verjetnost, da so skrivnostni delec izmerili po naključju oziroma da je proizvod šumaMed eksperimenti v velikem hadronskem trkalniku, namenjenem trkanju žarkov protonov, delcev v atomskem jedru, večkrat odkrijejo dokaze o novih, eksotičnih delcih, in to tako, da opazujejo nenavadno kopičenje znanih delcev, denimo delcev svetlobe fotonov ali elektronov. Znanstvenikom to uspeva zato, ker so težki in »nevidni« delci, kakršni so Higgsovi bozoni, pogosto nestabilni in večkrat razpadejo oziroma se razkrojijo v lažje delce, ki jih je laže opaziti. Takšne delce lahko iščemo v eksperimentalnih podatkih in poskušamo ugotoviti, ali so nastali zaradi razpadanja težjih delcev. Veliki hadronski trkalnik je tako odkril številne nove delce, ki so vsi ustrezali standardnemu modelu.
360 stopinjski pogled na Veliki hadronski trkalnik ob Ženevskem jezeru:
Tokratni, morda prelomni dogodek so opazili med eksperimentom z detektorjem CMS, ki je zaznal več parov mionov – dobro znanih delcev, ki jih zlahka odkrijejo in so podobni elektronom, toda težji. Analizirali so njihove energije in smeri gibanja ter se vprašali: če je ta par nastal zaradi razpada enega samega izvornega delca, kakšna bi bila masa tega izvornega delca?
Pari mionov večinoma nastanejo iz različnih virov – nastanejo po dveh različnih dogodkih, ne pa z razpadom enega samega delca. Če bi pri takšnih primerih poskušali izračunati maso izvornega delca, bi se energija enakomerneje razporedila in ne bi ustvarila ozkega vrha ravno pri 28 GeV (ali pri neki drugi energiji) v podatkih. Toda tokrat se zdi, da gre res za vrh.
Pa je to dejanski vrh ali gre samo za statistično nihanje zaradi naključne razporeditve točk v ozadju? Če drži prvo, to pomeni, da je nekaj parov mionov res nastalo samo iz velikega izvornega delca – in takšnega delca z 28 GeV še nikoli nihče ni opazil.
Kakšna je možnost napake
Vse to je slišati vznemirljivo, vendar nas je zgodovina naučila, da moramo biti previdni. Takšne izjemne primere so znanstveniki že odkrili, a so jih nato demantirali, ko so upoštevali več podatkov. Pred kratkim se je zgodila dvofotonska anomalija »The Digamma (750)«, ki je bila samo eden od številnih lažnih alarmov oziroma domnevnih odkritij, ki so bili posledica začasno nepravilnega delovanja opreme, prevelike navdušenosti med analizo ali kratko malo nesrečnega naključja.
- Na detektorju CMS so zaznali nepričakovan velik energijski vrh.
- Morebitni delec se ne sklada z nobenim teoretskim modelom.
- Če bo potrjen, bodo zanj morali spisati povsem novo fizikalno teorijo.
To deloma lahko razložimo s statističnim pristopom »poglej drugam« (angl. look-elsewhere effect): verjetnost, da bo naključen šum povzročil vrh prav pri vrednosti 28 GeV, je res morda 13 proti milijon, vendar bi takšen šum lahko povzročil vrh tudi pri drugi vrednosti, denimo pri 29 ali 16 GeV. Tudi pri teh vrednostih je verjetnost, da bi se to zgodilo, zelo majhna, če bi obravnavali vsako posebej, vendar seštevek vseh teh majhnih verjetnosti ni več tako zelo majhen (čeprav še vedno razmeroma majhen). To pomeni, da ni mogoče izključiti možnosti, da je vrh nastal zaradi naključnega šuma.
Poleg tega moramo poznati nekaj težko razložljivih okoliščin: vrh v energijskem spektru se je denimo pojavil pri enem zagonu trkalnika, ne pa tudi pri drugem, ko so podvojili količino energije. Pričakovali bi lahko, da se bo katerikoli novi pojav okrepil, če bo na voljo več energije. Morda obstajajo za to ustrezni razlogi, vendar za zdaj takšna okoliščina ostaja neprijetno dejstvo.
Nova fizikalna resničnost?
V teoriji je še več nedoslednosti: tako kakor eksperimentalni fiziki osnovnih delcev iščejo nove delce, poskušajo teoretiki razmišljati o tistih novih delcih, ki bi jih bilo smiselno iskati – o delcih, ki bi zapolnili vrzeli v standardnem modelu ali pojasnili temno snov ali oboje. Vendar še nihče ni predlagal nič podobnega omenjenemu delcu.
Teoretiki, denimo, pravijo, da bi lahko odkrili lažjo različico Higgsovega bozona. Toda takšni delci ne bi razpadli na mione. Omenjali so tudi lahek bozon Z ali težek foton, vendar bi takšna delca vplivala na elektrone, ti pa nanju. To pomeni, da bi ju verjetno že odkrili, saj elektrone zlahka zaznamo. Morebiten novi delec nima takšnih lastnosti, o kakršnih govorijo teoretiki.
Če takšen delec v resnici obstaja, je ne samo zunaj standardnega modela, ampak zunaj tega modela na način, ki ga nihče ni pričakoval. Tako kakor se je Newtonova gravitacija umaknila Einsteinovi splošni relativnosti, bo tudi standardni model zamenjalo nekaj drugega. Vendar ga morda ne bo zamenjal eden od priljubljenih kandidatov, ki naj bi po pričakovanjih teoretikov razširil standardni model – supersimetrija, dodatne dimenzije ali veliko poenotenje. Vse omenjene teorije govorijo o novih delcih, a nobena ne omenja delcev s takšnimi lastnostmi, kakršne ima delec, ki smo ga morda pred kratkim opazili. Teorija bo morala biti zelo nenavadna, saj je za zdaj ni še nihče predlagal.
Grafični prikaz Higgsovega bozona med razpadom v dva snopa hadronov in dva elektrona. Vir Kolaboracija CMS/Cern
K sreči je Atlas, drugi veliki detektor v Cernu, med delovanjem pridobil podobne podatke. Skupina strokovnjakov jih še vedno analizira in bo kmalu poročala o njih. Če bi cinično pogledali na pretekle izkušnje, bi rekli, da bodo sporočili, da niso nič odkrili, rezultat pa se bo pridružil drugim statističnim nihanjem. Morda – samo morda – pa bodo vendarle nekaj odkrili. In nato bo življenje eksperimentalnih in teoretičnih fizikov nenadoma postalo zelo živahno.
–––
Roger Barlow je znanstveni raziskovalec in direktor mednarodnega inštituta za uporabo pospeševalnikov na Univerzi v Huddersfieldu. Članek je preveden s spletne strani theconversation.com.
Preberite več o trkalnikih, osnovnih delcih in standardnem modelu.
