Στο πείραμα NA62 στο CERN οι φυσικοί διακρίνουν σημάδια μια σπάνιας διάσπασης καονίου

NA62 experiment in CERN's North Area. (Image: NA62/CERN)

Αν οι πιθανότητες ενός γεγονότος να συμβεί ήταν γύρω στη μια στα δέκα δισεκατομμύρια; Αυτή είναι η περίπτωση για τη διάσπαση ενός θετικά φορτισμένου σωμάτιου, γνωστού ως καόνιο, σε ένα άλλο θετικά φορτισμένο σωμάτιο, το πιόνιο και σε ένα ζεύγος νετρίνου-αντινετρίνου. Ακόμη, ένα τέτοιο σπάνιο γεγονός, που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ με βεβαιότητα, είναι κάτι που οι φυσικοί σωματιδίων θα ήθελαν πραγματικά να το έχουν στα χέρια τους. Ο λόγος; Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει μια τέτοια πιθανότητα: μια στα δέκα δισεκατομμύρια με μια αβεβαιότητα λιγότερο του 10%. Μια απόκλιση από αυτή την πρόβλεψη, που αποκαλύπτεται από μια ακριβή μέτρηση της διάσπασης, θα μπορούσε επομένως να είναι μια καθαρή ένδειξη φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.Σε σεμινάριο που έλαβε χώρα στο CERN, η συνεργασία επιστημόνων NA62 (στην εικόνα μέρος των εγκαταστάσεων του πειράματος) περιέγραψε ένα υποψήφιο γεγονός της υπερ-σπάνιας διάσπασης καονίου που βρήκε χρησιμοποιώντας μια νέα προσέγγιση: την «εν πτήση διάσπαση». Ενώ αυτό το μεμονωμένο γεγονός δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διερευνήσει την πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο φυσική, δείχνει ότι η προσέγγιση λειτουργεί καλά και μπορεί να εφαρμοστεί για να συλλάβει περισσότερα γεγονότα στον επόμενο γύρο συλλογής δεδομένων, που θα αρχίσει στα μέσα Απριλίου. Το αποτέλεσμα είχε παρουσιαστεί επίσης νωρίτερα αυτό το μήνα στην σύνοδο (Rencontres de Moriond*) που έγινε στην La Thuile, στην Ιταλία.
Για να ψάξει για διασπάσεις καονίων, η ομάδα NA62 δημιούργησε πρώτα δέσμες πλούσιες σε καόνια ρίχνοντας πρωτόνια υψηλής ενέργειας από τον επιταχυντή Super Proton Synchrotron (SPS) σε στόχο βηρυλλίου. Η σύγκρουση δημιουργεί μια δέσμη περίπου ενός δισεκατομμυρίου σωματιδίων το δευτερόλεπτο, εκ των οποίων μόνο περίπου 6% είναι καόνια. Στη συνέχεια, η ομάδα στέλνει τη δέσμη μέσω ενός ανιχνευτή Cherenkov, ο οποίος κατηγορηματικά αναγνωρίζει τα καόνια από την ακτινοβολία Cherenkov που παράγουν. Ένας ανιχνευτής με πίξελ πυριτίου μετά προσδιορίζει την ορμή των καονίων με χρόνο ανάλυσης 100 picoseconds (1 picosecond είναι ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου ή 10^-12 sec). Μια συσκευή ιχνηλάτης, που τοποθετήθηκε μέσα σε κενό δοχείο, με τη σειρά της, μετράει την ορμή από τα φορτισμένα παράγωγα σωμάτια στα οποία διασπάστηκαν τα καόνια και ένας άλλος ανιχνευτής Cherenkov που αποκαλείται RICH προσδιορίζει τον τύπο των σωματιδίων. Άλλες συσκευές γνωστές ως θερμιδόμετρα απορρίπτουν ανεπιθύμητα γεγονότα υποβάθρου με φωτόνια και μυόνια.


Υποψήφιο γεγονός της σπάνιας διάσπασης καονίου της ομάδας NA62. Τα οκτάγωνα δείχνουν στοιχεία στον ανιχνευτή RICH. Οι κύκλοι δείχνουν τους προβλεπόμενους «δακτυλίους Cherenkov» για θετικά φορτισμένο πιόνιο (+), θετικά φορτισμένο μυόνιο (+) και αντιηλεκτρόνιο (+) σωμάτια διάσπασης

Στην ανάλυση των δεδομένων που ελήφθησαν κατά την διαδικασία του 2016, η ομάδα NA62προσδιόρισε ένα υποψήφιο γεγονός διάσπασης ενός θετικά φορτισμένου καονίου σε ένα θετικά φορτισμένο πιόνιο και ένα ζευγάρι νετρίνου-αντινετρίνου που διαφεύγουν χωρίς ανίχνευση. Το αποτέλεσμα επέτρεψε τους ερευνητές να θέσουν ένα πάνω όριο στην σχετική συχνότητα, ή «κλάσμα διακλάδωσης», της διάσπασης 14 σε 10 δισεκατομμύρια. Το αποτέλεσμα είναι συμβατό με την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου, που είναι 8,4 σε 100 δισεκατομμύρια (με αβεβαιότητα 1), όμως απαιτούνται περισσότερα δεδομένα για να διερευνήσουν θεωρίες πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, που προβλέπει αποκλίσεις από την τιμή του Καθιερωμένου Προτύπου.
Δεν είναι η πρώτη φορά που έχουν παρατηρηθεί σημάδια αυτής της διάσπασης. Διάφορα υποψήφια γεγονότα έχουν αναφερθεί προηγουμένως από το πείραμα E949 και το προηγούμενό του E787 στο Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven στο Long Island, στη Νέα Υόρκη. Αυτά τα υποψήφια γεγονότα χρησιμοποιήθηκαν για να συνάγουν ένα κλάσμα διακλάδωσης 17,3 σε 100 δισεκατομμύρια (με αβεβαιότητα περίπου 11), που είναι συνεπές, με μεγάλα σφάλματα, με την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου. Υπάρχει όμως μια διαφορά μεταξύ των πειραμάτων στο Brookhaven και στο πείραμα της NA62: ενώ οι προηγούμενες διασπάσεις καονίων παρατηρήθηκαν με σωμάτια εν ηρεμία στο στόχο, το πείραμα της NA62τα παρατηρεί ενώ τα σωμάτια είναι εν πτήση μέσα σε ένα κενό δοχείο. Αυτή η νέα εν πτήση προσέγγιση έχει πλεονεκτήματα επειδή παρέχει πολύ περισσότερο χώρο για ανίχνευση και απαλλαγή από γεγονότα υποβάθρου.
Η ομάδα NA62 αναμένει να προσδιορίσει περισσότερα γεγονότα της σπάνιας διάσπασης καονίου στην εν εξελίξει ανάλυση ενός εικοσαπλάσιου σε μέγεθος συνόλου δεδομένων που πάρθηκαν το 2017 και θα αρχίσει να παίρνει δεδομένα ξανά στα μέσα Απριλίου για έναν αριθμό ρεκόρ 218 ημερών. Αν όλα πάνε σύμφωνα με το σχέδιο, η συνεργασία θα μπορούσε να μετρήσει το κλάσμα διακλάδωσης της διάσπασης με αρκετά μικρή αβεβαιότητα για να πραγματοποιήσει έναν ακριβή έλεγχο του Καθιερωμένου Προτύπου.

Πηγή: CERN  egno.gr