Världsrekord vid Belle II-experimentet
Bianca Scavino, Roman Sultanov och Karin Schönning framför Belle II-detektorn.
Belle II-experimentet i Japan har slagit världsrekord i antalet ϒ(4S)-partiklar, kortlivade partiklar som består av en bottenkvark och dess antikvark, som bildats i krockar mellan elektroner och positroner. Detta innebär början på en ny era med precisionsmätningar som kan utmana partikelfysikens standardmodell. En förhoppning är att påvisa hittills okända subatomära processer som gjort att universum består av materia men nästan ingen antimateria.
Hela vårt synliga universum, och även vi, består av atomer, som är uppbyggda av protoner, neutroner och elektroner. Protonerna och neutronerna består i sin tur av kvarkar, som även kan kombineras på andra sätt, och på så sätt bilda andra typer av partiklar. Ett exempel är ϒ(4S)-partikeln som består av en tung och instabil bottenkvark samt en antibottenkvark. ϒ(4S)-partiklarna bildas i krockar mellan elektroner och positroner från acceleratorn SuperKEKB, där Belle II-detektorn är placerad. De sönderfaller omedelbart till B-mesoner, partiklar som förutom en bottenkvark även består av en lätt upp- eller nedkvark av samma typ som de vi hittar i protonen.
B-mesoner och deras antipartiklar är unikt lämpade för att undersöka små skillnader mellan materia och antimateria, så kallat CP-brott eller charge conjugation and parity violation. Detta är en nödvändig ingrediens för att förklara varför vårt universum består av materia, men nästan ingen antimateria. Belle IIs föregångare Belle var tillsammans med BaBar-experimentet i USA först med att påvisa CP-brott i B-mesonsönderfall, och omnämns i pressmeddelandet till 2008 års Nobelpris.
– Elektron-positronkollisioner utgör en unikt ren miljö, eftersom ϒ(4S)-partiklarna bildas utan några andra rekylpartiklar. Det gör att bakgrundsnivån blir förhållandevis låg, samtidigt som upplösningen hos de uppmätta partiklarnas egenskaper är ypperlig. Den nya, rekordstora datamängden öppnar för studier av fler typer och kombinationer av partiklar, som tidigare bildats i för små mängder för att kunna mätas. Tack vare den mångsidiga detektorn kan man dessutom påvisa partiklar som är osynliga för många andra experiment. Med Belle II kan man dessutom leta efter mörk materia och exotiska kvarksystem, säger Karin Schönning, professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.
Huvudfokus för forskningen vid Uppsala universitet är att undersöka protonliknande partiklar med bottenkvarkens något lättare syskon, charmkvarken, som även den bildas i riklig mängd och i jämförelsevis rena processer. Charmpartiklarnas spinnegenskaper, eller inre magneter, är särskilt intressanta eftersom de ger bättre känslighet för CP-brott. Dessa mätningar kräver hög statistisk precision, så Uppsalaforskarna kommer i högsta grad att dra nytta av den nya stora datamängden. Uppsalagruppen bidrar även till att förbättra datakvaliteten genom metoder som filtrerar och spårar partiklarna när de rör sig genom detektorn. Här har forskaren Bianca Scavino en nyckelroll i Belle II som koordinator för arbetsgruppen för partikelspårning.
– Partikelspårning är ett fascinerande fält: tillsammans med kollegor från hela världen följer vi laddade partiklars spår och avslöjar den bakomliggande fysiken, säger Bianca Scavino.
Fakta
Belle II är ett experiment vid acceleratoranläggningen SuperKEKB i Tsukuba, Japan. Den kolliderar elektroner och positroner vid en energi som motsvarar massan hos ϒ(4S)-partikeln och använder en ny teknik för att uppnå högre intensitet i partikelkollisionerna än föregångaren Belle. På så sätt lyckades Belle II nyligen samla in mer ϒ(4S)-data än vad Belle gjorde under hela sin livstid. Uppsala universitet är med i Belle II sedan 2022.
Belle II@UU är den största forskargruppen inom kärnfysikprogrammet vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet. Forskare Bianca Scavino koordinerar arbetsgruppen för partikelspårning inom Belle II och postdoktor Markus Reif koordinerar arbetsgruppen för amplitudanalys, en metod som både möjliggör detaljstudier av hittills okända hadroner, och mer precisa CP-tester. Gruppen består också av postdoktor Adeel Akram, doktoranderna William Lejon och Roman Sultanov, forskningsingenjör Pawel Marciniewski och professor Karin Schönning, som leder den lokala gruppen och även sitter i kollaborationens verkställande utskott.
Partikelspårning: Partiklarna som bildats i en kollision rör sig med hastigheter nära ljusets genom en detektor. De växelverkar då med materialet i detektorn, vilket ger upphov till mätbara signaler. Genom att applicera ett starkt magnetfält, böjs de laddade partiklarnas banor så att man kan bestämma deras laddning och impuls – men för att detta ska fungera behöver man först pussla ihop signalerna från de olika detektorsystemen till sammanhängande spår. Till detta används mönsterigenkänning, med tekniker som kan vara antingen klassiska eller baserade på maskininlärning.