DZero anomaalia jätkub – hiiglaslik viga, uus füüsika või midagi muud·?

D0 eksperimendi detektor täheldab endiselt CP-rikkumist·! Anomaalsed tulemused ei kao kuhugi ning DZero töörühm eesotsas V. M. Abazoviga avaldas üheaegselt oma tulemused nii ajakirjas Phys. Rev. Letters ja Phys. Rev. D. Kas registreeritud kõrvalekalded tähendavad tõepoolest laengu-paarsuse sümmeetria (CP) rikkumist või on tegu vigase eksperimendiga? Paradigma ei ole veel oma otsust teinud, kuid kaalukauss hakkab kalduma “uue füüsika” pooldajate poole.

Kaks aastat tagasi, 2008. aastal kinnitasid mõlemad Tevatroni kiirendi osakeste detektorite CDF ja DZero algsed tulemused, et B-mesonite süsteemis on toimunud CP-rikkumine. Pärast põhjalikku analüüsi ning neli korda suurema andmetehulga kogumist leidis CDF eksperimendi töörühm aga algses analüüsis ebakõla. Uute mõõtmiste kohaselt oli CP-rikkumise parameeter standardmudelile tunduvalt lähemal, kui esmalt arvati. Seega polnud ka vaja tekkinud tavalise aine ja antiaine erineva hulga seletamiseks “uut lähenemisviisi” otsida.

Asümmeetria ei kadunud aga täielikult. Selle aasta mais avaldas DZero-eksperimendi kollektiiv oma kaheksa aastat kogutud andmete põhjal tehtud uurimuse, mis ei klappinud taas CDF-i tulemustega. DZero tulemuste põhjal tekkis prootoni -ja antiprootoni vahel toimunud kokkupõrke tagajärjel harilikku ainet 1·% võrra rohkem kui antiainet.

Osakestefüüsikute kogukonnal oli täielik õigus uurimuse suhtes skeptiline olla. Väga tõenäoliselt on DZero tõesti jõudmas oma eluea lõppu. Enne kõmu võis julgelt mõelda, et valdava enamiku arvates polnud DZero-l enam midagi uut pakkuda. Tegu oli lihtsalt korraliku mõõteseadmega, mis oli andnud meile parima W-bosoni massihinnangu.

Nagu paljud töörühmad, kelle rahastamine hakkab lõppema, tegi DZero kollektiiv elevust põhjustava avalduse. Eksperimendi kohaselt leidis aset laengu-paarsus sümmeetria rikkumine, mis oli 3,2 standardhälvet suurem, kui standardmudeli poolt ennustatu. Neile langenud rambivalguse vaimus hakati rääkima finantseeringute tõstmisest ning eksperimendi jätkuvast töös hoidmisest.

Vaevalt kaks päeva pärast tulemuste avaldamist tegi CDF-i kollektiiv oma tulemustega DZero tähistamisele kiire lõpu. Turinis toimunud osakestefüüsika konverentsil nentis CDF-i eksperimendi eestkõneleja Gavril Girgiu, et nemad pole samade mesonite lagunemise analüüsimisel täheldanud mitte mingisugust anomaaliat. Kaks korda suuremat andmehulka – 5,2 femtobari jagu – uurides said nad standardmudelist kõrvalekaldeks ainult 0,8 standardhälvet.

Tekkinud elevus ei surnud aga viisil nagu CDF oleks lootnud ja oodanud. Pariisi osakestefüüsika konverentsile naasis DZero töörühm samuti kaks korda suurema analüüsitud andmetehulgaga. Ning nagu varem, nägi DZero kollektiiv seal endiselt täpselt samasugust standardmudeliga ja CDF-iga mittekooskõlas olevat tulemust. Kollektiivile võis see olla masendust tekitav, ent see võib tõepoolest kinnitada vajadust “uue füüsika” järele. Ning lootus sellise võimaluse ilmnemisest on visa kaduma.

Nimelt on CP-rikkumine üks kolmest “Sakharovi tingimusest,” mis on vajalikud selgitamaks, miks valitseb tänapäevases universumis barüonite asümmeetria ehk miks on nii palju tavalist ainet, kuid väga vähe antiainet. Kuigi CP-rikkumist on pärast selle üllatavat debüüti 1964. aastal kunstlikult mitmel eri viisil tekitatud, on kõik praegused vaatlused kooskõlas selge standardmudelis peituva põhjusega. Eksperdid on pärast põhjaliku kaalutlemist aga leidnud, et CP-rikkumisest ei piisa tavalise aine ülekülluse selgitamiseks. See omakorda on viinud aga kõrgete energiate füüsikud selle uue põhjuse otsinguile.

CP-rikkumist vaadeldi esimest korda neutraalsete strange kvarki sisaldavate kaoonite omavahelises nõrgas vastastikmõjus 1964. aastal. Teine süsteem, kus selline rikkumine aset leiab, avastati alles 2001. aastal. Abazovi töörühma täheldatud dimüüonite asümmeetriat usutakse tekkivat samasuguse protsessi käigus. Ent küsimus ei ole ainult efekti olemasolus, vaid selle ebaloomulikus suuruses.

Uutes DZero tulemustes oluline CP-rikkumine hõlmab endas Bs0-mesoni (s-kvargiga seotud b’ kvargi) muutumist anti-Bs0-mesoniks (b-kvargiga seotud s’-kvargiks) ehk leiab aset ostsillatsiooniprotsess. Analoogsed protsessid leiavad aset Bd0 (b’d, kus d märgib down kvarki) mesoni puhul. See tähendab üldiselt seda, et osakese tekkimise ja lagunemise vahepeal saab osake muutuda iseenda antiosakeseks. Ent B0 mesonite aine-antiaine võnked ei tähenda automaatselt seda, et CP-sümmeetria on rikutud. Viimane ilmneb ainult siis, kui B0 mesoneid muutub B0′ mesoniteks erinevas koguses kui vastupidise protsessi puhul.

Üks viis selliste võnkumiste asümmeetria vaatlemiseks on vaadelda mesonite lagunemisprotsesse, kus tekivad leptonid nagu elektronid või müüonid (μ). On teada, et b’ kvarkide lagunemisel tekivad ainult μ- leptonid, mil b-st saavad tekkida ainult μ+ tüüpi leptonid. Prootoni ja antiprootoni (pp’) kokkupõrkes tekib b ja b’ kvarkide paat, mis võib moodustada B0B0′ paari, kuid mitte kunagi B0B0 ega B0’B0′ paari. Seega nähes kahte sama laenguga müüonit, on selge, et enne lagunemist on ilmnenud ostsillatsioon. Huvi pakkuv asümeetria on siis lihtsalt [N(μ+μ+) − N(μ-μ-)]/[N(μ+μ+)+N(μ-μ-)].

DZero detektor on tuntud oma suurepäraste müüonite avastamise võimete poolest ning autorid keskenduvad oma analüüsides ainult sellele leptonile. Kahjuks on andmete hulgas lisaks kunstlikult esile kutsutud B-lagunemistele ka taustprotsessides tekkivad müüonid. Andmetele võrdsetes kogustes μ+μ+ ja μ-μ- tüüpi müüonite lisamisel on asümmeetriat hajutav ning seega ka vähendav mõju.

Veelgi hullem on, et ümbritseva keskkonna müüonitel võib olla oma CP-asümmeetria. Ent nimetatud asümmeetria on keskkonna CP-rikkumise mitte huvi pakkuv vorm, kuna detektor on tehtud ainest, mitte antiainest. Seega ongi mõõtmiste juures kõige tähtsam süsteemsete määramatuste eemaldamine. B-lagunemiste dimüüonite asümmeetrial endal on aga tugev teoreetiline põhjendus. Ning töörühma töötlemata määramatus jääks standardmudeli poolt lubatava määramatuse piiridesse. Kuid Abazovil ning nende kolleegidel on veel üks trikk varrukast võtta.

B-mesonites esinevate CP-rikkumiste tõttu peaks üksikmüüonite vahel esinema ka laengute asümmeetria. Võrreldes seda dileptonite asümmeetriaga on üksikleptonite puhul asümmeetria veelgi laialivalguvam ning süstemaatiliste keskkonna mõjude suhtes veelgi tundlikum. Põhiline teadaolev argument on, et detektori poolt põhjustatav määramatus on korrelatsioonis dimüoonite ja üksikmüüonite asümmeetriaga. Seega määrasid töö autorid kahe töötlemata asümmeeria lineaarkombinatsiooni, mis muutis süstemaatilise nihke nullilähedaseks ning suurendas huviäratavate B-füüsika efektide osakaalu. Tulemusena saadigi standardmudeli poolt ennustatavast 3,2 standardhälbe suurune erinevus.

Abazovi töörühmale ei ole midagi ette heita. Selle poolt kasutatavad meetodid on mitmest erinevast allikast üle kontrollitud ning uurimusesiseselt on tehtud lisaks mitmeid järjepidevuse kontrolle, mis kõik lõppkokkuvõttes toetavad erinevaid analüüsi osi. Samuti ei saa eitada, et analüüs on keeruline ning selle väärtustamiseks tuleb sellega põhjalikult tutvuda. Erinevate süsteemsete määramatuste hindamine on endiselt aga osaliselt omamoodi kunstivorm, mille tulemused võivad sõltuda mitmetest lähteandmetest ja eeldustest.

Teadlaste kogukond ei ignoreeri DZero tulemusi poolt kohe kindlasti, kuna inimestele meeldivad võimalused, mida anomaaliad pakuvad. Teoreetilise füüsikaga tegelevatelt füüsikutelt ilmub igal aastal tuhandeid käsikirju, mis võiksid CP-rikkumist seletada. Kuid on tähtis sensatsiooni kütkesse mitte langeda. Endiselt räägitakse palju võimalusest, et tegu on süstemaatilise veaga. Ning see on oluline, isegi kui see ja erinevus CDF-i analüüsist ei pruugi DZero töörühmale kõige julgustavamalt mõjuda.

Ning seni kuni CDF-i tulemused teadatuntud standardmudeli füüsikaga klapivad, tuleb seda tõsisemalt võtta kui midagi, mis sellega ei ühti. Alles juhul, kui CDF teeb sarnaste andmete põhjal uue analüüsi, mis erineb standardmudelist, on õige aeg öelda, et oleme uue füüsika avastanud. Tulevikus võtavad DZero ja CDF tööjärje üle ATLAS ja CMS ning lisaks sellele on üks Suure Hadronite Põrguti detektoritest mõeldud just spetsiaalselt raskeid kvarke sisaldavate osakeste avastamiseks. Seega, kui standardmudelile täiendus sealt suunast tuleb, see ka avastatakse. Edasise töö ainult DZero tulemustele rajamine oleks aga tulutu spekulatsioon

Lähiajal ei näe me DZero tulemuste suhtes üldist konsensust enne, kui CDF ja DZero suudavad oma tulemustes kokkuleppele jõuda. Kuid isegi juhul, kui mustad rongad siniseks ei muutu, jääb Tevatroni kiirendis tehtav uurimistöö empiirilisele teadusemeetodile sobilikuks monumendiks.

Autorid: Sarah C. Kavassalis ja Jaan-Juhan Oidermaa