Dữ liệu BaBar 10 năm cho phép cải thiện các hạn chế về các tham số photon tối • Mikhail Stolpovsky • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Vật chất tối, Tìm kiếm Vật lý mới

Dữ liệu BaBar 10 năm cho phép chúng tôi cải thiện các hạn chế về các tham số photon tối

Hình 1. Thí nghiệm BaBar, hoạt động trên máy gia tốc PEP-II trong Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC từ 1999 đến 2008. Bức ảnh được chụp trong khi tắt máy gia tốc cho các sự kiện kỹ thuật. Hướng của chùm hạt đi qua các nhiếp ảnh gia. Các bộ phận của máy dò muon (ở mặt trước) được di chuyển ra xa để mở lối vào phần trung tâm của cơ sở. Nhiệm vụ khoa học chính của thí nghiệm là nghiên cứu đối xứng CP trong phân rã meson B (xem giải Nobel về Vật lý – 2008, "Yếu tố", 10.10.2008). PEP-II là một máy va chạm bất đối xứng của các electron và positron. Thiết lập thí nghiệm BaBar tương tự như nhiều thiết bị va chạm khác: một hệ thống dò hình thùng xung quanh va chạm của các chùm hạt. Việc lắp đặt được đặt trong một nam châm lớn, do sự lệch của các hạt trong từ trường, giúp đo lường điện tích và động lượng của chúng. Năng lượng va chạm được điều chỉnh theo khối lượng của meson B, làm cho chúng có thể thu được chúng với hiệu suất cao. Và do thực tế là các chùm electron và positron có năng lượng hơi khác nhau (từ "máy va chạm bất đối xứng" chỉ có nghĩa là nó), meson B tạo ra có xung không khác trong hệ tọa độ của máy dò, và dễ dàng đo lường theo khoảng cách mà chúng truyền thời gian của cuộc đời họ. Ảnh từ phys.org

Trong những năm cuối cùng của công việc, thí nghiệm BaBar đã chuyển sang việc tìm kiếm các dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của các hạt mới có thể lấp đầy những khoảng trống trong sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Gần mười năm trôi qua kể từ đó, thí nghiệm đã bị dừng lại, nhưng các nhà vật lý tiếp tục điều tra dữ liệu thu thập được. Phân tích của họ đã giúp cải thiện các hạn chế về các thông số của một trong những hạt mới giả định – photon tối, mà, như mong đợi, có thể giải thích bản chất của vật chất tối.

Photon tối

Quan sát thiên văn cho thấy Vũ trụ của chúng ta không chỉ bao gồm vật chất thông thường, mà còn là vật chất tối. Hơn nữa, lượng vật chất tối, theo ước tính, gấp năm lần lượng vật chất thông thường. Vật chất tối biểu hiện chính nó chỉ thông qua tương tác hấp dẫn: ví dụ, tốc độ quay của các thiên hà cho thấy hầu hết vật chất trong chúng là vô hình (để biết thêm, xem bài báo “Cách chúng tìm kiếm vật chất tối”). Phần vô hình này chúng ta gọi là vật chất tối. Có nhiều giả thuyết khác nhau về bản chất của nó. Một trong những phổ biến nhất ngụ ý sự hiện diện của các hạt không được bao gồm trong Mô hình Chuẩn, không tương tác với các hạt thông thường theo bất kỳ cách nào khác hơn là hấp dẫn (hoặc tương tác, nhưng cực kỳ yếu).

Như bạn đã hiểu, các nhà vật lí không thể để lại một chủ đề may mắn như vậy, và bắt đầu cố gắng "phát minh ra" những hạt chưa mở (Các nhà vật lý nghiên cứu các lực lượng đen tối và các hiện tượng tối khác, "Elements", 04/01/2015). Người ta cho rằng các hạt vật chất tối có thể tương tác với nhau. Cơ sở của giả định này là ước muốn vĩnh cửu của các nhà vật lý để mô tả tất cả các hiện tượng của tự nhiên theo một định luật duy nhất. Cuối cùng, sẽ thật kỳ lạ nếu các hạt vật chất tối về cơ bản khác với các hạt thông thường, quen thuộc của Mô hình Chuẩn. Vì vậy, nó là hợp lý để cung cấp cho các hạt vật chất tối với các thuộc tính tương tự như các thuộc tính của các hạt "ánh sáng", cụ thể là, để cung cấp cho họ cơ hội để tương tác với nhau. Các tàu sân bay của tương tác này là cái gọi là photon tối (R. Essig et al., 2013. Dark Sectors và New, Light, Weakly-Coupled Particles). Hạt giả thuyết này đã nhận được cái tên như vậy bởi vì nó là một vật mang "điện từ tối". Đó là, nó tương tự như photon thông thường, nhưng chỉ hoạt động cho các hạt vật chất tối.

Người ta cho rằng một photon tối có thể "trộn lẫn nhau" – nói cách khác, tương tác – với các photon thông thường, sáng.Tương tác này, tất nhiên, xảy ra cực kỳ hiếm khi – nếu không vật chất tối sẽ không tối. Nhưng, với số liệu thống kê đầy đủ, nó có thể được quan sát thấy. Xác suất tương tác giữa các photon tối và các photon thông thường được tham số bằng cách sử dụng hằng số không ε, là nhỏ hơn, sự tương tác yếu hơn. Cụ thể, điện từ tối phải hoạt động trong ε2 lần yếu hơn so với tương tác điện từ bình thường. Chúng ta sẽ không nghiên cứu sâu về các mô hình khác nhau của photon tối. Chúng tôi sẽ chỉ nói rằng các nhà khoa học khác nhau thử các cách tiếp cận khác nhau để mô tả của nó: đây là các lý thuyết dây và các giả định về các đối xứng mới của vật lý hạt, vv Trong các mô hình khác nhau, ε được ước tính từ 10−12 lên đến 10−3. Các mô hình tương tự dự đoán khối lượng photon tối theo thứ tự MeV-GeV.

Thí nghiệm BaBar, làm việc tại Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia SLAC từ năm 1999 đến năm 2008, đã thu thập số liệu thống kê quan trọng về va chạm của các electron với positron, phân tích vẫn đang tiếp diễn. Hai năm cuối cùng của công việc, BaBar đã tìm kiếm các hạt mới mở rộng Mô hình Chuẩn. Khi các photon tối được đề xuất trong năm 2009, nhóm BaBar đã quyết định tìm kiếm hiệu quả dự đoán trong dữ liệu của chúng.Sử dụng dữ liệu thu được trong năm 2006-2008, có thể thiết lập những hạn chế khá mạnh đối với các tham số của photon tối. Chữ ký photon tối trong thí nghiệm rõ ràng: nếu một photon tối sinh ra trong một sự kiện va chạm hạt trong máy gia tốc, thì một photon năng lượng cao phải được quan sát thấy trong detector, không có bất kỳ hạt nào khác. Sự kiện đầy đủ sẽ như sau:

\ [\ begin {mảng} % e ^ + + e ^ – \ rightarrow \ gamma + A '\ \ phantom {e ^ + + e ^ – \ rightarrow \ gamma +! !} A '\ rightarrow \ chi \ bar \ chi \ end {mảng} \]

Tức là, trong sự va chạm của một electron và một positron (phần bên trái của phản ứng đầu tiên) một cặp được sinh ra từ một photon (γ) và một photon tối (A '), sau đó phân hủy thành hai hạt vật chất tối (phản ứng thứ hai). Cả photon tối A 'cũng không phải hạt của vật chất tối χ Không cho bất kỳ tín hiệu nào trong máy dò. Chỉ còn một photon, đó sẽ là tín hiệu xác định cho một sự kiện có photon tối. Hơn nữa, photon phải có năng lượng ít hơn năng lượng va chạm của các hạt ban đầu.

Nó được biết là những năng lượng electron và positron được gia tốc trong máy va chạm. Bạn cũng có thể đo tổng năng lượng của các hạt được ghi lại trong detector. Trừ thứ hai từ lần đầu tiên, chúng ta nhận được khối lượng đã mất, mà đã tạo ra một hạt vật chất tối.Nếu phổ của đỉnh trọng lượng bị mất được quan sát, nó sẽ cho thấy sự hiện diện của các hạt đen được sản xuất. Trong hai năm trở lại đây công việc tích lũy được một fb 35,9 BaBar−1 dữ liệu, cho phép chúng tôi thu được các kết quả thú vị về các photon tối. Phổ khối bị mất được thể hiện trong hình. 2

Hình 2 Xuống dưới – phổ trên bình phương khối lượng M bị mấtx2. Trên trục tung hiển thị số lượng sự kiện trên mỗi phân đoạn của trục ngang 0,5 GeV2. Điểm có lỗi – Experimental tín hiệu dữ liệu tương ứng với một photon khối lượng tối 6.21 GeV thể hiện đường đỏ, đường chấm chấm màu tím – các sự kiện nền khác nhau, đường màu xanh – đầy đủ. Trên – độ lệch dữ liệu từ đường màu xanh lam. Lên lịch từ bài viết trong cuộc thảo luận Thư đánh giá vật lý

Đỉnh trong đồ thị này tương ứng với giả thuyết của photon tối với khối lượng 6.21 GeV. Tham số ε giá trị sẽ phải cho một photon tối như vậy 10−3. Nhưng, mặc dù điều này vẫn là không có nghĩa là một photon như đang mở. Tầm quan trọng của đỉnh là 3.1σ. Và mô phỏng cho thấy rằng xác suất mà một đỉnh cao như vậy sẽ xuất hiện ở đâu đó trong phạm vi của vụ tai nạn là khoảng 1%. Đó là ý nghĩa toàn cầu đang giảm xuống 2,6σ.Điều làm cho nó thậm chí còn nghi ngờ hơn nữa rằng đây thực sự là một tín hiệu từ một photon tối là ý nghĩa của tín hiệu phụ thuộc vào giả thiết về khối lượng của một photon tối, được biểu diễn trong hình. 3

Hình 3 Tầm quan trọng của đỉnh photon tối trong đơn vị độ lệch chuẩn σ như một hàm của khối lượng photon tối mA '. Tín hiệu photon tối được mong đợi là một đỉnh trên nền liên tục trong phổ từ Hình. 2. Nhưng không rõ nơi đỉnh này sẽ xuất hiện. Do đó, tất cả các vị trí có thể trên phổ đo được kiểm tra. Tầm quan trọng của các tín hiệu photon tối có thể được hiển thị trong biểu đồ này. Ví dụ, trong hình. 2 có một điểm lên trên trong vùng 48 GeV2 (khối lượng, tương ứng, ít hơn 7 GeV). Nếu chúng ta xem điểm này là đỉnh của một photon tối, thì ý nghĩa thống kê của nó sẽ là – chúng ta nhìn vào biểu đồ này – chỉ hơi lệch hơn một độ lệch chuẩn. Có thể thấy rằng đỉnh tại 6,21 GeV là rất có thể, nhưng không phải là điểm duy nhất có thể. Lên lịch từ bài viết trong cuộc thảo luận Thư đánh giá vật lý

Có thể hiểu được, khi có rất nhiều gợi ý về photon tối, độ tin cậy của chúng giảm đi. Nhóm BaBar đã làm mọi thứ có thể để tính đến các sự kiện nền có thể xảy ra.Ví dụ, một electron và positron có thể bay qua nhau với sự ra đời của một photon đơn lẻ – một sự kiện như vậy sẽ cho một chữ ký trông giống như một photon tối. Với số liệu thống kê hạn chế và các lỗi hệ thống sẵn có, photon tối trong thí nghiệm BaBar không được tìm thấy.

Nhưng người ta không nên nghĩ rằng, vì photon tối vẫn chưa được tìm thấy, không có tin tức. Công việc được thực hiện trên BaBar mở ra một cửa sổ cho một chủ đề thú vị khác của vật lý, và nhiều hơn nữa về điều đó bên dưới.

Khoảnh khắc từ của muon

Giáo sư Michael Roney (Michael Roney), diễn giả chính thức của BaBar, nói về công việc đang được thảo luận: "Mặc dù nó không bác bỏ sự tồn tại của các photon tối, kết quả BaBar giới hạn các tham số hợp lệ của chúng, và bác bỏ dứt khoát lời giải thích bằng cách sử dụng các photon tối của một câu đố hấp dẫn khác liên quan đến các đặc tính của một hạt hạ nguyên tử khác được gọi là muon". Hãy để chúng tôi giải thích đây là một bí ẩn với muon.

Muon có thể được tưởng tượng như một nam châm nhỏ, cũng xoay quanh trục của nó, giống như một cái đầu (đây là một sự tương tự cho spin của một muon). Cường độ của nam châm và tốc độ quay của nó xác định tỷ lệ điện từ của nó g. Trong xấp xỉ đầu tiên, giá trị của g phải bằng 2.Tuy nhiên, khi chúng ta xem xét thời điểm điện từ của muon, các quá trình khác nhau can thiệp vào vật chất, một số trong đó được thể hiện trong hình. 4

Hình 4 Ví dụ về các quá trình đã biết thay đổi thời điểm từ của muon. Sơ đồ nên được đọc ở bên trái (trước tiên) ở bên phải (những gì đã xảy ra ở cuối). Trên Mỗi biểu đồ cho thấy một photon mô tả ảnh hưởng của từ trường ngoài trên muon. Quy trình phổ biến nhất (và đơn giản nhất) được hiển thị trong biểu đồ. a): muon bay lên, tương tác với photon và bay đi. Nhưng bên cạnh đó, các quá trình có thể có trong đó các hạt ảo có liên quan. b) – sự đóng góp từ photon ảo được phát ra bởi muon để tương tác với trường bên ngoài và hấp thụ sau, c) – đóng góp từ tương tác yếu, d) – phân cực hadron của chân không, e) – Ánh sáng Hadron tán xạ trên ánh sáng. Hình ảnh từ W. Gohn, 2016. Thí nghiệm muon g-2 tại Fermilab, với những sửa đổi

Vấn đề là ngay cả khi tính đến các quá trình này, giá trị đo được của thời điểm từ tính của muon không đồng ý với lý thuyết. Giá trị thu được trong thí nghiệm E821 (thí nghiệm cuối cùng đo thời điểm từ của muon), được công bố trong tác phẩm cuối cùng của năm 2006 (G. W. Bennett và cộng sự, 2006).Báo cáo cuối cùng về đo lường thời điểm từ bất thường Muon E821 tại BNL), rất khác so với dự đoán của mô hình chuẩn: giá trị đo được của g khác với dự đoán lý thuyết chỉ ở 8 chữ số thập phân. Tuy nhiên, ý nghĩa của độ lệch trong trường hợp này là 3,6σ. Đây là một dấu hiệu khá nghiêm trọng rằng thời điểm từ bất thường của muon thực sự là bất thường (nhớ lại rằng phát hiện được cho là yêu cầu độ lệch 5σ).

Điều gì có thể chỉ ra thời điểm từ bất thường của muon? Trong một bài báo năm 2016, thí nghiệm muon g-2 tại Fermilab, một danh sách các giải thích có thể có được như sau: siêu đối xứng và vật lý mới khác, và cả – bạn sẽ nghĩ ai? – photon tối!

Bây giờ trở lại với BaBar. Trong hình. 5 cho thấy những hạn chế về vật lý photon tối.

Hình 5 Hạn chế về giá trị của ε cho các photon tối, tùy thuộc vào khối lượng của chúng. Vùng da cam loại trừ trong các thí nghiệm E787 và E949 về phân rã kaon (S. Adler và cộng sự, 2002. arXiv: hep-ex / 0111091, A. V. Artamonov và cộng sự, 2009. arXiv: 0903.0030), khu vực xanh loại trừ bằng các phép đo của thời điểm từ tính của một electron (G. W. Bennett và cộng sự, 2006. Báo cáo cuối cùng về đo lường thời điểm từ trường dị thường Muon E821 tại BNL), màu lam – trong thí nghiệm NA64 (D. Banerjee và cộng sự, 2017. Tìm kiếm các quyết định vô hình của Sub-GeV tại SPS CERN). Khu vực xanh loại trừ trong công việc đang được thảo luận bởi thí nghiệm BaBar. Màu đỏ cho thấy phạm vi của ε (với khoảng 5 độ lệch chuẩn), có thể giải thích khoảnh khắc bất thường của muon bằng các photon tối.Hình từ bài viết được thảo luận trong Thư đánh giá vật lý

Nếu có tồn tại một photon tối với khối lượng và ε tương ứng với vùng màu đỏ trong Hình. 5, ông có thể giải thích giá trị bất thường của thời điểm từ tính của muon. Nhưng rõ ràng là dữ liệu mới BaBar hoàn toàn loại trừ khu vực này. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể vượt qua một photon tối từ danh sách các quá trình giải thích sự bất thường của thời điểm từ tính của một muon. Đó là, hoặc bạn cần phải tìm kiếm trong lĩnh vực siêu đối xứng, hoặc một số kỳ lạ hoàn hảo được trộn lẫn ở đây.

Tiếp theo là gì?

Để thực hiện một phép đo chính xác thời điểm từ bất thường của muon, thí nghiệm Muon g-2 (phát âm là "muon ji-trừ-tu") được đưa ra, nằm ở Fermilab. Tên của thử nghiệm có nghĩa là nó đo độ lệch của g từ hai. Thí nghiệm Muon g-2 sẽ nhận được nhiều số liệu thống kê đo lường hơn thử nghiệm E821, với ít lỗi hệ thống hơn. Kết quả là, nếu độ lệch được xác nhận ở mức hiện tại, sự khác biệt giữa lý thuyết và thử nghiệm sẽ đạt 7,5σ và trở nên quan trọng.

Hình 6 Thí nghiệm Muon g-2. Phần chính của nó là một nam châm siêu dẫn vòng với một lĩnh vực rất đồng nhất.Một bó muon với các spin đều hướng vào vòng, nơi lưng bắt đầu đi lang thang từ bên này sang bên kia – sự bắt đầu bắt đầu. Sức mạnh của sự lắc lư này trực tiếp phụ thuộc vào tham số g. Muon phân rã thành một positron và hai neutrino, và giá trị của tỷ số điện từ của muon g có thể được đo bằng năng lượng của positron và số của chúng phụ thuộc vào thời gian sau khi chùm tia được đưa vào vòng. Ảnh từ en.wikipedia.org

Thí nghiệm Muon g-2 bắt đầu vào mùa hè này. Chúng tôi rất mong được kết quả của anh ấy, bởi vì họ có thể xác nhận hoặc đóng cửa sổ cho một vật lý mới. Tất nhiên, tôi muốn sự bất thường được xác nhận. Tình trạng này gợi nhớ đến một vài tháng trước khi phát hiện ra boson Higgs (xem tin tức Higgs boson: khám phá và kế hoạch cho tương lai, "Elements", 16.07.2012), khi các nhà vật lí nhận thức được khám phá sắp tới thú nhận với nhau rằng nó sẽ tốt hơn không phải là một hạt dự đoán, bởi vì trong trường hợp này Mô hình Chuẩn sẽ được hoàn thành, và bước đột phá vào Vật lý mới sẽ bị trì hoãn vô thời hạn. Không, không ai có nghĩa là boson Higgs không phải là một khám phá vĩ đại. Nhưng tôi muốn một cái gì đó mới! Thời điểm từ bất thường của muon là một hiệu ứng hứa hẹn có thể biến tất cả vật lý hiện đại. Tuy nhiên, nó là giá trị được cẩn thận trong kỳ vọng.Vì vậy, ví dụ, một hạt gần đây với khối lượng 750 GeV, cũng được dự đoán có liên quan đến Vật lý mới, hóa ra là một lỗi thống kê.

Trong khi đó, thí nghiệm Belle II đang được chuẩn bị tại Nhật Bản. Belle đầu tiên (hoặc là người đầu tiên? – bởi vì bằng tiếng Pháp belle có nghĩa là "vẻ đẹp") đã tham gia vào việc phát hiện sự vi phạm đối xứng CP trong phân rã meson B, mà BaBar cũng đã làm cùng một lúc. Công việc này đã giúp xác nhận các nền tảng của Mô hình Chuẩn. Ai biết được, có lẽ Belle II bây giờ sẽ giúp nới lỏng những điều cơ bản và mở một photon tối? Chúng ta sẽ thấy. Chúng tôi lưu ý rằng việc tìm kiếm Vật lý mới là một trong những ưu tiên của Belle II. Máy dò thử nghiệm vào tháng Tư năm nay đã được cài đặt trên máy gia tốc SuperKEKB và khởi động dự kiến ​​vào đầu năm 2018.

Hình 7 Thí nghiệm Belle II (Đề án bên trái), sự tiếp nối của thí nghiệm Belle, anh em sinh đôi Nhật Bản của thí nghiệm BaBar: một thiết lập thí nghiệm tương tự với cùng nhiệm vụ, cũng trên máy va chạm electron-positron bất đối xứng, nhưng có độ nhạy lớn hơn và trên máy gia tốc SuperKEKB có độ sáng lớn hơn. Bản đồ từ phy.olemiss.edu và rjs.phys.uvic.ca

Nguồn: J. P. Lees et al. (Hợp tác BaBar). Tìm kiếm Invisible Dark Photon Sản xuất trong e+e Va chạm tại BaBar // Thư đánh giá vật lý. 2017. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.119.131804. (Các bài viết in sẵn arXiv: 1702.03327 [hep-ex] có sẵn.)

Mikhail Stolpovsky


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: