Projekt FAIME – na lovu za anomalijami v fiziki delcev

Peter Križan (FMF UL in IJS), 31. marec 2020

Danes je prav poseben dan zame: Evropski raziskovalni svet (ERC) je objavil rezultate letošnjega razpisa za prestižne napredne projekte (ERC Advanced Grant). Med 185 odobrenimi projekti od približno 1900 predlaganih je tudi projekt FAIME (»Flavour Anomalies with advanced particle Identification MEthods«), ki sem ga pripravil s sodelavci na Institutu Jožef Stefan in na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. V petletnem projektu se bomo ukvarjali z enim izmed trenutno najbolj vročih vprašanj v fiziki osnovnih delcev. Tema je povezana z razvojem vesolja, kjer sta vsaj dve veliki uganki, ki se tičeta fizike delcev.

Zakonitosti gibanja zvezd v galaksijah in gibanja galaksij v jatah galaksij kažejo na obstoj nam neznane temne snovi, ki je je v vesolju petkrat toliko kot običajne snovi, iz katere smo sestavljeni mi in svet okoli nas. Poleg delcev, ki sestavljajo običajno snov, poznamo tudi antimaterijo, ki je sestavljena iz anti-delcev tistih delcev, ki sestavljajo običajno snov. V današnjem vesolju je anti-materije samo za vzorec, medtem ko je je bilo v zgodnjem vesolju toliko kot materije. V fiziki osnovnih delcev imamo zaradi teh dveh dejstev velik problem: teorija, imenovana Standardni model, se fantastično ujema z eksperimenti, npr. z odkritjem Higgsovega bozona v CERNu pred sedmimi leti. Po drugi strani pa v tej teoriji ni prostora za delce temne snovi niti ne obstaja mehanizem, ki bi lahko povzročil tako dramatično razliko med materijo in anti-materijo, kot jo vidimo v današnjem vesolju.

Kako naprej? Pot iz te zagate nam bodo pokazali rezultati predlaganih poskusov. V fiziki osnovnih delcev večino eksperimentov naredimo s pomočjo pospeševalnikov, kjer pospešimo delce do visokih energij, nato pa jih pustimo, da se zaletijo eni v druge. Pri takem trku se sprosti večina njihove energije, del energije pa se lahko pretvori v maso zelo težkih delcev, takih, ki jih običajno v naravi ne najdemo. Ti delci niso obstojni in zato zelo hitro razpadajo, pri tem pa nastane množica lažjih, obstojnih delcev. Le-te nato prestrežemo z zapletenim sistemom detektorjev, kot je to na primer naš spektrometer Belle II.

Pri eksperimentih v pospeševalnikih iščemo odstopanja od Standardnega modela na dva dramatično različna načina. Prvi način iskanja odstopanj od Standardnega modela uporabljajo na Velikem hadronskem trkalniku (LHC) v CERNu v Ženevi: protone pospešijo do največji možnih energij na Zemlji in med nastalimi delci iščejo takšne, ki ne spadajo v Standardni model. Pri Belle II smo izbrali drugo pot: odstopanja od Standardnega modela iščemo z izredno natančnimi meritvami pri nižjih energijah.

Pri takem raziskovalnem pristopu se je nedavno odprla nova vroča tema: pri eksperimentih BaBar, Belle in LHCb so odkrili nenavaden pojav, ki ga s Standardnim modelom ne moremo pojasniti. Elektron, sestavni del atoma, ima dva bistveno bolj težja sorodnika, mion in lepton tau, vse tri električno nabite delce pa imenujemo nabiti leptoni.  Po Standardnem modelu vsi trije leptoni na enak način interagirajo s kvarki, in tudi velika večina meritev to potrjuje. Meritve pri eksperimentih BaBar, Belle in LHCb pa kažejo, da se elektroni pod določenimi pogoji obnašajo nekoliko drugače kot mioni, mioni pa drugače kot leptoni tau. Na tem mestu se začne moja raziskava v okviru projekta FAIME, pri kateri bom za študij procesov, v katerih nastopajo nabiti leptoni, uporabil detektor Belle II ob pospeševalniku SuperKEKB.

Pospeševalniški kompleks SuperKEKB, zaporedje linearnega pospeševalnika, pozitronskega zbiralnika, 3km dolgega glavnega obroča in detektorja Belle II ob točki, kjer trkajo elektroni in pozitroni.

V pospeševalniku SuperKEKB v institutu KEK v Tsukubi trkamo elektrone in pozitrone. Elektrone, ki so del atomov, dobimo tako, da na primerno snov posvetimo z močnim svetlobnim izvorom, recimo laserjem. Paketi (kvanti) svetlobe – fotoni – izbijajo elektrone, ki jih nato v električnem polju pospešimo. Pot do pozitronov, ki so anti-delci elektronov,  je bolj zapletena. Pozitronov v naravi ni, potrebno jih je torej ustvariti. V ta namen uporabimo pospešene elektrone, ki jih pustimo, da trčijo v tarčo iz volframa. Ob trku nastanejo med drugim tudi pozitroni, ki jih potem pospešimo podobno kot elektrone, in jih s pomočjo električnih in magnetih polj vodimo v eno izmed dveh 3 km dolgih cevi krožnega dela pospeševalnika (na zgornji sliki je označena z rdečo barvo). Elektroni krožijo v nasprotni smeri po podobni cevi, ta je označena z modro barvo.

Detektor Belle II in cevi obeh žarkov.
Tipičen dogodek kot rezultat trka med elektronom in pozitronom. Ukrivljene sledi nabitih delcev, ki so nastali pri reakciji, zaznamo z velikim sledilnim detektorjem v močnem magnetnem polju.

Pri eksperimentu Belle II pri trkih elektronov in pozitronov v trkalniku SuperKEKB nastajajo mezoni B, delci, ki v nanosekundi (10-9 s, milijardinka sekunde) razpadejo na lažje delce. Razpadi mezonov B so bili že v preteklosti zanimiv predmet študija nekaterih najbolj pomembnih pojavov v fiziki osnovnih delcev, med drugim smo jih uporabili tudi za meritev razlike med snovjo in anti-snovjo. Pri projektu FAIME bomo natančno merili lastnosti razpadov mezonov B, pri katerih nastajajo pari leptonov, in poskušali potrditi ali ovreči preliminarne rezultate meritev, ki kažejo, da se elektroni pod določenimi pogoji obnašajo nekoliko drugače kot mioni in leptoni tau. Če bodo natančnejše meritve potrdile te prve rezultate, bo to pomenilo veliko revolucijo v fiziki osnovnih delcev in nasploh v našem razumevanju narave. Enakost pri interakcijah leptonov, tako imenovana leptonska univerzalnost, je namreč eden od temeljev Standardnega modela, izredno natančno potrjene teorije osnovnih delcev in njihovih interakcij. Ena od posledic kršitev leptonske univerzalnosti bi lahko bil obstoj do sedaj neznanih delcev, na primer tako imenovanih leptokvarkov.   

Podatke, ki jih bomo uporabili v naši raziskavi, pa moramo še zbrati, zato smo lansko pomlad pri eksperimentu Belle II začeli z zajemanjem podatkov. Po treh mesecih počitka, ki smo ga uporabili za izboljšave detektorja, smo pospeševalnik in detektor ponovno pognali pred tremi tedni. Cel kompleks pospeševalnika in detektorja deluje zelo stabilno in to kljub precej okrnjeni ekipi v Tsukubi (omejitev potovanj). Kolikor se da, pomagamo na daljavo s preverjanjem stanja aparatur in hitro analizo zajetih podatkov, ter seveda držimo pesti, da nobeden od članov ekipe v Tsukubi ne zboli!