Stringent limits on - and Lorentz-invariance violation from ~meson decays
Met behulp van 13 TeV proton-proton botsingsgegevens van de LHCb-detector stelt deze studie de meest nauwkeurige beperkingen tot nu toe vast op CPT- en Lorentz-invariantie schending in het -meson systeem, waarbij de CPT-schendende parameter wordt gemeten en limieten worden gesteld op Lorentz-schendende parameters op het niveau van binnen het Standard Model Extension kader.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In het hart van de moderne natuurkunde ligt een reeks regels die zo fundamenteel zijn dat ze bepalen hoe het universum zich gedraagt. Twee van deze regels zijn CPT-symmetrie en Lorentz-invariantie. CPT-symmetrie is het idee dat als je de tijd zou omkeren, elk deeltje zou verwisselen met zijn tegenpool (antimaterie) en het universum zou omdraaien als een spiegelbeeld, de natuurwetten exact hetzelfde zouden blijven. Lorentz-invariantie is het principe dat deze wetten niet veranderen afhankelijk van hoe snel je beweegt of welke richting je op kijkt. Decennialang hebben deze principes standgehouden bij elke test en vormen zij het fundament van ons begrip van de werkelijkheid. Echter, sommige theorieën over de diepste lagen van het universum, zoals die proberen zwaartekracht te verklaren, suggereren dat deze regels zouden kunnen breken bij extreem hoge energieniveaus. Als dat gebeurt, zouden de effecten minuscuul zijn, verborgen diep in het gedrag van subatomaire deeltjes, wachtend om te worden ontdekt door instrumenten van extreme precisie.
Een team wetenschappers dat werkt met de LHCb-detector bij CERN heeft een nieuwe, zeer gevoelige blik geworpen op deze vraag met behulp van deeltjes die B0s-mesonen worden genoemd. Dit zijn kortlevende deeltjes die een bottomquark bevatten en die ontstaan wanneer protonen bijna met de snelheid van het licht op elkaar botsen. De onderzoekers concentreerden zich op hoe deze deeltjes vervallen, of uiteenvallen, in andere deeltjes over een bepaalde tijd. Specifiek keken ze naar een subtiel interferentiepatroon dat zou verschijnen als de regels van CPT-symmetrie of Lorentz-invariantie lichtelijk zouden worden geschonden. In een wereld waarin deze symmetrieën perfect standhouden, volgt het verval van een deeltje en zijn antimaterie-tweeling een perfect voorspelbaar ritme. Als deze symmetrieën geschonden zouden worden, zou dat ritme op een specifieke manier wankelen, waarbij het verandert afhankelijk van het tijdstip van de dag terwijl de aarde draait en de oriëntatie van de deeltjes ten opzichte van de sterren verschuift.
Om deze wankelingen te vinden, analyseerde het team een enorme collectie gegevens verzameld tussen 2015 en 2018. Ze zeefden miljarden botsingen om bijna 380.000 instanties te isoleren waarin een B0s-meson verviel in een specifieke set dochterdeeltjes: een Ds-meson en een pion. Dit specifieke vervalpad is bijzonder nuttig omdat het zeer schoon en voorspelbaar is, wat het gemakkelijker maakt om kleine afwijkingen van het verwachte gedrag op te merken. De wetenschappers bouwden vervolgens een gedetailleerd wiskundig model van hoe deze deeltjes zich zouden moeten gedragen als het universum de standaardregels volgt, en vergeleken dit model met de werkelijke data. Ze zochten naar tekenen dat het vervalpercentage veranderde naarmate de aarde draaide, wat zou aangeven dat de natuurwetten anders waren afhankelijk van de richting waarin de deeltjes door de ruimte bewogen.
Het resultaat van deze uitputtende zoektocht was een bevestiging dat het universum, althans op de geteste energieschalen, deze fundamentele regels naleeft. De onderzoekers vonden geen bewijs voor de wankelingen die een schending van CPT-symmetrie of Lorentz-invariantie zouden signaleren, hoewel een vergelijking van de oscillerende en constante hypothesen een significantie van 1,8 standaarddeviaties opleverde, wat compatibel is met een statistische fluctuatie. Ze maten de parameters die een dergelijke schending zouden beschrijven en vonden deze consistent met nul, binnen een zeer kleine foutmarge. Sterker nog, hun metingen zijn de meest precieze ooit gemaakt voor dit type deeltje, waarbij de gevoeligheid wordt gepusht naar een niveau waarop ze elke schending kunnen uitsluiten tot een schaal van ongeveer één deel in de macht van tien tot de veertien. Dit betekent dat als deze symmetrieën worden geschonden, het effect zo ongelooflijk klein is dat het momenteel onzichtbaar is voor zelfs de krachtigste detectoren op aarde.
Dit werk bevestigt niet alleen wat we al vermoedden; het verstrakt de beperkingen voor elke nieuwe theorie die voorstelt dat het universum chaotischer is op zijn diepste niveaus. Door te bewijzen dat het B0s-meson zich precies gedraagt zoals voorspeld, ongeacht het tijdstip van de dag of de richting van zijn reis, versterkt de studie het idee dat de natuurwetten inderdaad universeel en onveranderlijk zijn. De onderzoekers hebben effectief de deur gesloten voor een breed scala aan mogelijkheden voor hoe deze symmetrieën zouden kunnen breken, waardoor natuurkundigen een helderder, zij het uitdagender, pad vooruit hebben in hun zoektocht naar het fundamentele karakter van de werkelijkheid. Het universum lijkt, zo blijkt, koppig consistent te blijven.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.