Izospin-rejtély a CERN-ben
A CERN-beli NA61/SHINE kísérlet eredményei szerint nagyenergiás atommag-ütközésekben a semleges kaon részecskék a töltöttekhez képest a vártnál jóval kisebb arányban keletkeznek. Ez a modellszámítások szerint váratlan és nehezen magyarázható jelenség, amely az izospin szimmetria sérülésével hozható összefüggésbe. Ebben a meglepő részecskefizikai felfedezésben a HUN-REN Wigner FK kutatói is meghatározó szerepet játszottak. A világ korábbi részecskegyorsítós kísérleteinek adatait utólagosan elemezve látszik, hogy a nem várt jelentős aszimmetria az adatokban általánosan jelen van, amely komoly fejtörést okoz az elméleti fizikusoknak.
A részecskefizika hajnalán csupán kevés részecskét ismertek: a közönséges anyagot alkotó elektront, protont és neutront. Akkoriban mindhárom említett részecskét eleminek gondolták, és furcsállták a proton, illetve a neutron indokolatlanul hasonló tulajdonságait. A proton és neutron tömege közel azonos, valamint az atommagbeli erők szempontjából is hasonlóan viselkednek. Csupán az elektromos töltésük különbözik: ezt a furcsa, proton-neutron közötti közelítő szimmetriát izospin szimmetriának nevezték el. Később, a részecskefizika fejlődésével számos egyéb részecskét felfedeztek, így például a kaonokat is. Kísérleti úton kiderült, hogy a proton, a neutron, és számos egyéb részecske valójában nem elemi, hanem összetett, tulajdonságaik pedig az őket felépítő elemi alkotórészek (kvarkok) tulajdonságaiból eredeztethetőek, így például az izospin szimmetria is. A kaonrészecskék esetében az izospin (közelítő) szimmetria alapján azt várnánk, hogy nagyenergiás atommag-ütközésekben az úgynevezett töltött és semleges kaonrészecskék hozama (jó közelítéssel) megegyezik. Különböző háttérjelenségek miatt legfeljebb olyasmi nagyságú eltérést várunk, mint amennyire a proton tömege eltér a neutronétól. Ehhez képes, ahogy az 1. ábrán is látszik, 18% (±6%) eltérést tapasztalunk (a világban másutt mért hasonló adatokkal együtt 4,7 szigma az eltérés a várt értéktől).
|
|
1.ábra. Bal panel: A töltött kaonok (zöld görbe) nagyobb mértékben keletkezett, mint a semleges kaonok (kék görbe). Jobb panel: A töltött/semleges kaon-rejtély jelen van a világ többi kísérletének adatsoraiban is. Ezt a régebbi kísérletek publikált adatainak utólagos elemzésével tettük láthatóvá.
A szóban forgó jelenség pontosabb tanulmányozásához az NA61/SHINE kísérlet töltött pion részecskenyalábbal szén atommagok bombázását tervezibombázását tervezi, és a reakcióban keltett kaonokat fogja vizsgálni, U ugyanis ezzel az elrendezéssel elérhető az egzaktul izospin-semlegesség, valamint elméleti szempontból egyszerűbben kezelhető kezdeti állapot jön létre. Az első lépés annak ellenőrzése, hogy a kaonok aszimmetriája ebben a letisztultabb kísérleti elrendezésben is megfigyelhető-e. Amennyiben a jelenséget a tervezett mérések segítségével megerősítjük, elengedhetetlenné válik annak elméleti értelmezése és a mögöttes fizikai mechanizmus feltárása.
Az NA61/SHINE kísérletben magyar csoportként a HUN-REN Wigner FK csoport (László András, Fodor Zoltán, Pórfy Barnabás, Nagy Richárd) mellett ELTE csoport is jelen van, akik szintén aktív szerepet vállaltak a mérési periódusban (Csanád Máté, Yoshikazu Nagai).
Hivatkozások:
[1] NA61/SHINE experiment at CERN:
https://na61.web.cern.ch
[2] H.Adhikary, …, M.Csanád, …, Z.Fodor, …, A.László, …, Y.Nagai, …, B.Pórfy, et al (NA61 Collaboration):
„Evidence of isospin-symmetry violation in high-energy collisions of atomic nuclei”,
Nature Communications 16 (2025) 2849,
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57234-6
https://arxiv.org/abs/2312.06572
[3] „Isospin symmetry broken more than expected”, CERN Courier 2025 március 24,
https://cerncourier.com/a/isospin-symmetry-broken-more-than-expected
