LHC işbirliği ‘tuhaflıklar’ arayışında ilk sonucu sunuyor

Fizikçilerin uluslararası işbirliği, yerçekimi kuvveti ile Standart Model tarafından tanımlanan üç temel kuvvet arasındaki büyük eşitsizliği açıklamaya yardımcı olabilecek varsayımsal parçacıklar arayışının ilk sonuçlarını sundu. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nın (LHC) FASER deneyinde üç yıl süren veri toplamanın ardından FASER İşbirliği, bu ağır, yavaş hareket eden “tuhaflıklar” için hiçbir kanıt bulamadı.

Yine de analizleri, parçacıklar için devam eden araştırmalarda önemli bir rehberlik sunuyor ve diğer büyük ölçekli parçacık çarpıştırıcılarında da benzer araştırmalara ilham verebilir.

İşbirliğinin analizi şu adreste yayınlandı: Fiziksel İnceleme Mektupları.

Parçacık fiziğinin Standart Modeli bugüne kadar evrenin temel yapı taşlarının ve bunların birbirleriyle etkileşim biçimlerinin en güvenilir tanımını sunmaktadır. Mevcut haliyle model, dört temel kuvvetten üçünü ve bunlardan etkilenen parçacıkları kapsayan üç çekirdek “gösterge grubu” içerir.

Standart Model, fizikçilerin şimdiye kadar yaptığı tüm deneylere karşı sağlam bir duruş sergilese de, tahminlerinin eksik olduğuna dair çok sayıda ipucu var. Bunlardan en bilineni, karanlık maddenin doğasını açıklamadaki başarısızlığıdır; ancak başka bir sorun, yerçekimi kuvveti ile diğer üç temel kuvvet arasındaki büyük farktan kaynaklanmaktadır. Örneğin, Standart Model’in açıklayamadığı nedenlerden dolayı, zayıf nükleer kuvvet yerçekiminden yaklaşık 10²⁴ kat daha güçlüdür: “gösterge hiyerarşisi sorunu” olarak bilinen bir tutarsızlık.

Tuhaflıklar ve kızıl ötesi

Soruna önerilen çözümlerden biri, Standart Modele tamamen yeni bir gösterge grubu eklemektir. 2008 yılında, Maryland Üniversitesi’nden Markus Luty ve Junhai Kang, 1980’lere dayanan fikirlere dayanarak, “tuhaflıklar” adı verilen varsayımsal bir temel parçacık ailesi önerdiler. Bazı teorilerde tuhaflıklar, temel parçacıkların kütlelerinden sorumlu olan Higgs bozonu ile etkileşime girebilir.

En önemlisi, bu etkileşim kuantum etkilerinin Higgs bozonunun kütlesini gözlemlendiğinden çok daha yükseğe itmesini engelleyebilir. Yerçekimi yük yerine kütleye etki ettiğinden, bu etki sonuçta yerçekimini diğer üç kuvvetten çok daha zayıf tutacaktır. Luty ve Kang’ın teorisinin merkezinde tuhaflıklar, güçlü nükleer kuvvete çok benzeyen, “infracolor” adı verilen yeni bir kuvvet türü aracılığıyla etkileşime girecekti.

FASER Collaboration’ın son analizinin başyazarı Irvine’deki Kaliforniya Üniversitesi’nden Eli Welch, “Bu güç tuhaf-anti-tuhaf çiftleri neredeyse kırılmaz bir iple bir arada tutabilir” diye açıklıyor. “Bu, onların seyahat ederken salınmasına neden olacak ve onları simüle etmeyi ve tespit etmeyi zorlaştıracaktır.” Ancak tuhaflıklar varsa, fizikçiler bunların yüksek enerjili parçacık çarpışmalarında çiftler halinde üretilebileceğini ve dedektörlerde belirgin izler bırakabileceğini öngörüyor.

LHC’de arama

2010 yılında, tuhaflıklara yönelik ilk özel araştırma Fermilab’ın Tevatron çarpıştırıcısında gerçekleştirildi. LHC’de, dokuz tespit deneyinin birçoğu tuhaflıklara karşı hassastır; ancak bu aramalar ya parçacıkların yollarının izlenmesine (bu, tuhaflıkların izlemesi beklenen karmaşık, salınımlı yollar nedeniyle özellikle zor hale getirilen bir görev) ya da dedektörün içinde durup yok eden tuhaflıkların tespit edilmesine dayanıyordu.

Şimdi, Tevatron aramasından on yıldan fazla bir süre sonra, LHC’deki ilk özel tuhaf arama, özellikle parçacık çarpışmalarında oluşturulan nötrinoları tespit etmek ve yeni temel parçacıkları aramak için tasarlanan İleri Arama Deneyi (FASER) kullanılarak gerçekleştirildi.

ATLAS deneyinin 480 m (1,575 feet) aşağısında yer alan ve 100 metreden (328 feet) fazla kayayla korunan FASER, çok az arka plan parçacığı görüyor, bu da onu dedektörden geçerken ağır tuhaflık çiftlerini aramak için ideal kılıyor.

Welch şöyle açıklıyor: “Gecikmeli varışlarını ve yavaş hızlarını, her iki parçacıktan gelen alışılmadık derecede büyük enerji birikimleriyle birlikte ölçerek, yollarını takip etmek zorunda kalmadan tuhaflıkları tespit edebiliriz.” “Bu, aramamızı olağandışı salınımlara karşı geleneksel aramalara göre çok daha az duyarlı hale getiriyor.”

Geleneksel imzaların ötesinde

FASER İşbirliği, son çalışmasında, tuhaf bir sinyali tanımlamak amacıyla dedektör tarafından 2022 ile 2024 yılları arasında toplanan verileri analiz etti. Analizi, aradığı ilginç çiftlere ilişkin herhangi bir kanıt bulamadı ancak yine de teoriye ilişkin değerli yeni kısıtlamalar sundu.

Welch şöyle açıklıyor: “Sonuçlarımız, Standart Model’in ötesindeki fizik teorilerine özel ilgi gösteren kitleler de dahil olmak üzere, dikkate aldığımız tuhaf model içindeki geniş bir olasılık yelpazesini dışlıyor.”

FASER İşbirliği artık ilk sonuçlarının LHC’deki tuhaflıklar için genişletilmiş bir araştırma için umut verici bir temel oluşturabileceğinden umutlu. Parçacıkların alışılmadık davranışlarının, daha geleneksel izleme yöntemlerine dayanmaksızın tespit edilebileceğini göstererek, artık diğer çarpıştırıcı deneylerinin de araştırmayı üstlenmeye motive edilebileceğini umuyor.

Welch, “Daha genel anlamda, yeni fizik, mevcut aramaların tespit etmek için tasarlanmadığı sinyallerde saklanıyor olabileceğinden, geleneksel parçacık imzalarının ötesine bakmanın önemini vurguluyor” diye ekliyor.