Mätning av charmad baryon-antibaryonasymmetri vid LHCb

Projekttitel: Mätning av charmad baryon-antibaryonasymmetri vid LHCb
Huvudsökande: Andrzej Kupsc, avdelningen för kärnfysik
Medsökande: Patrik Adlarson och Lars Eklund, avdelningen för kärnfysik
Beviljade medel: 3 440 000 SEK för perioden 2022-2025

Vårt synliga universum består i princip bara av materia. Den bygger upp galaxer, stjärnor och planeter. Förutom materia existerar också antimateria. Den delar de flesta av materians egenskaper men har bl.a. motsatt elektrisk laddning. När antimateria interagerar med materia förintas båda och bildar ren energi i form av ljus. I dagens universum är antimaterien sällsynt men vi tror att vid Big Bang så existerade lika stor andel materia som antimateria. För att denna asymmetri ska uppstå måste det finnas en fysikalisk mekanism som kan skapa det materiaöverskottet vi har idag. Den teori som bäst beskriver hur materia och anti-materia växelverkar kallas för Standardmodellen i partikelfysik men den har ingen fysikalisk mekanism stark nog för att förklara storleken på universums materieöverskott. Det är en stark indikation på att det finns ny, för oss, okänd fysik och att Standardmodellen behöver kompletteras. Detta är en av fysikens största olösta frågor och detta projekt handlar om att bättre förstå denna avvikelse.

I Standardmodellen finns en mekanism som kan generera ett litet materiaöverskott. Detta sker vid ett så kallat CP-symmetribrott. CP-symmetrin innebär att fysikens lagar beter sig på samma sätt om man byter ut partiklar till deras antipartiklar och samtidigt speglar dem i rummet. Detta projekts huvudsyfte är att söka efter ny fysik som ger en starkare källa av CP-symmetribrott än den som ges i Standardmodellen. Det kommer vi att göra genom att utveckla helt nya och känsliga tester av system av kortlivade tre-kvarkspartiklar, s.k. baryoner, som innehåller en charmkvark. En specifik egenskap hos baryoner är att dess inre rotation kan ha en preferentiell riktning – denna egenskap kallas polarisation. Att använda sig av baryonens polarisation för CP-tester är ett nästintill outforskat område och vi tror att denna information kan användas just för att söka efter ny banbrytande fysik. För detta syfte krävs en stor mängd experimentell data men också en optimal algoritm för att förstå och använda denna data på bästa sätt.

CP-tester på charm-baryonsystem är i princip helt outforskat. Det som gör charm-baryoner till en lämplig kandidat är dessutom att det bidrag av CP-brott som förväntas inom Standardmodellen är exceptionellt låg. Det betyder att om vi upptäcker signaler på CP-brott så är det sannolikt på grund av ny fysik bortom Standardmodellen.

Att studera CP-symmetribrott kräver en stor datamängd med charm-baryonsönderfall. Det experimentet som överlägset har samlat in sådan data är partikelfysikexperiment LHCb på CERN. Vad som däremot saknas är känsliga metoder för att isolera och upptäcka CP-symmetribrott i den data som LHCb samlat in. Vi kommer därför att utveckla och implementera nya teoretiska modeller som vi sedan applicerar på LHCb-data.

Vår idé är att använda oss av polariserade charmbaryoner som sönderfaller i en lång sönderfallskedja. Genom att mäta sluttillståndspartiklarna kan vi återskapa hela sönderfallskedjan och isolera de egenskaper som är känsligast för CP-symmetrin. Genom att göra samma mätningar på charmbaryonens anti-partikel kan vi jämföra om materia och anti-materia beter sig annorlunda gentemot varandra. Om de gör det så är det ett CP-symmetribrott.

Vi har redan erfarenhet av detta sedan tidigare då vi utfört CP-tester på baryoner med särtalskvarkar. Då har vi använt oss av data från BESIII-experiment i Peking som redan har lett till flera banbrytande resultat. De metoder som användes då kan vi nu vidareutveckla och använda när vi analyserar charmbaryoner med LHCb-experimentet.

Om vi upptäcker fysik som inte kan förklaras av Standardmodellen skulle det revolutionera vår förståelse av universum, men oavsett resultat så kommer de nyutvecklade metoderna från vårt projekt vara vägledande för framtida mätningar.