Naukowcy coraz bardziej zgłębiają model standardowy fizyki cząstek, aby lepiej zrozumieć zjawisko mieszania kwarków. Okazuje się, że proces ten, który jest kluczowy dla struktury materii we Wszechświecie, nie jest tak przewidywalny, jak sądzono. Nowe badania, prowadzone przez dr Jordy’ego de Vriesa z University of Amsterdam, we współpracy z zespołami z Los Alamos, Seattle i Bernie, dostarczają istotnych informacji na temat niejasności związanych z mieszaniem kwarków.
Kwarki skrywają klucz do zrozumienia natury rzeczywistości
Kwarki to podstawowe składniki jąder atomowych, które tworzą materię we Wszechświecie. Nigdy nie występują samodzielnie, lecz zawsze w grupach. W ramach teorii modelu standardowego fizyki cząstek wyróżnia się sześć rodzajów kwarków, nazywanych smakami: dolny, górny, powabny, dziwny, piękny i prawdziwy. Kwarki “łączą się” w różne konfiguracje, tworząc protony i neutrony, które z kolei tworzą jądra atomowe. Np. proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, podczas gdy neutron zawiera dwa dolne i jeden górny.
Czytaj też: Cztery kwarki górne naraz. Zaskakujące obserwacje w Wielkim Zderzaczu Hadronów
Choć model standardowy przewiduje, że kwarki mogą zmieniać swoje smaki w procesie zwanym mieszaniem, nie podaje szczegółowych informacji o częstotliwości tych przemian. Ostatnie eksperymenty wykazały jednak pewną niezgodność. Okazało się, że sumowanie prawdopodobieństw wszystkich możliwych przemian kwarkowych nie daje 100 proc. To odkrycie może być oznaką fizyki wykraczającej poza model standardowy, sugerując istnienie nowych cząstek lub oddziaływań, których nie uwzględnia obecna teoria.
Zespół dr de Vriesa opracował nową metodologię, która pozwala na dokładniejsze obliczenia mieszania kwarków typu górny-dolny – najbardziej istotnej formy mieszania ze względu na jego silne efekty w procesach jądrowych. W badaniach, opublikowanych w czasopismach Physical Review Letters i Physical Review C, wykorzystano precyzyjne dane dotyczące rozkładu radioaktywnego znane jako superdozwolony rozpad beta (ang. superallowed beta decay).
Zjawisko to występuje w stabilnych jądrach, które nie mają spinów, co ułatwia ich opis teoretyczny. Mimo to, obliczenia napotykają na trudności wynikające z interakcji trzech podstawowych sił natury – silnych oddziaływań jądrowych, elektromagnetyzmu i słabych oddziaływań odpowiedzialnych za rozkłady radioaktywne. Nowa metodologia pozwoliła naukowcom lepiej opisać te skomplikowane oddziaływania i zredukować błędy w obliczeniach. Odkryto efekty związane z słabymi oddziaływaniami między składnikami jąder, które wcześniej nie były uwzględniane. Obecnie są one głównym źródłem niepewności w obliczeniach.
Naukowcy przewidują, że w przyszłości, dzięki zaawansowanym metodom obliczeń, możliwe będzie zmniejszenie tych niepewności do minimalnego poziomu. Dzięki temu można będzie nie tylko dokładniej modelować fizykę kwarkową, ale także wykrywać potencjalne ślady nowej fizyki, które mogą ujawnić nieznane cząstki czy siły.
Badania nad mieszaniem kwarków pokazują, że model standardowy fizyki cząstek może nie być kompletną teorią opisującą strukturę materii, a wręcz przeciwnie – może kryć w sobie jeszcze wiele nieznanych elementów. Badania dr Jordy’ego de Vriesa i jego zespołu stanowi krok w kierunku lepszego zrozumienia fundamentalnych oddziaływań w fizyce cząstek. Te odkrycia nie tylko poszerzają naszą wiedzę o materii, ale także mogą mieć znaczenie praktyczne dla przyszłych technologii opartych na fizyce jądrowej i innych dziedzinach nauki.