Vid kollisioner mellan argon- och skandiumatomkärnor har forskare från det internationella NA61/SHINE-experimentet observerat en tydlig avvikelse som tyder på ett brott mot en av de viktigaste symmetrierna i kvarkvärlden: den ungefärliga smaksymmetrin mellan upp- och nedkvarkar.
Avvikelsen kan bero på hittills okända brister i nuvarande modeller för kärnkollisioner, men en koppling till den länge eftertraktade ”nya fysiken” kan inte uteslutas.
Om vi skulle bygga en struktur med samma antal trä- och plastklossar, skulle vi förvänta oss att proportionerna mellan de två typerna av klossar inte skulle förändras efter att strukturen tagits isär. Fysiker har hittills levt i tron att en liknande symmetri mellan initial- och slutläget, kallad smaksymmetri, förekommer i kollisioner mellan partiklar som innehåller upp- och nedkvarkar.
En annan bild av verkligheten framträder dock i en artikel publicerad i Nature Communications.
En intressant observation med långtgående konsekvenser gjordes av experimentgruppen NA61/SHINE, som till stor del består av fysiker från Polen, bland annat från Institutet för kärnfysik vid Polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow.
Teamet studerade kollisioner mellan argon- och skandiumkärnor som accelererats av Super Proton Synchrotron (SPS) – samma accelerator som också ansvarar för den sista fasen av accelerationen av protoner innan de injiceras i Large Hadron Collider (LHC) vid CERN nära Genève.
”Enligt dagens kunskapsläge består den materiella värld vi uppfattar huvudsakligen av elementarpartiklar som kallas kvarkar. Det finns sex typer av kvarkar, och varje typ har en antimateria-motsvarighet. Protoner och neutroner, de grundläggande beståndsdelarna i atomkärnor, består av tripletter av – alltid blandade – upp- och nedkvarkar, medan kvark-antikvarkpar kallas mesoner”, förklarar professor Andrzej Rybicki (IFJ PAN).
Den faktor som håller kvarkarna samman till protoner, neutroner eller mesoner är den starka växelverkan, som beskrivs i en teori som kallas kvantkromodynamik. Av dess ekvationer följer att om alla typer av kvarkar hade samma massa skulle den starka växelverkan inte kunna skilja dem åt. I själva verket skiljer sig kvarkar av olika slag (smaker) avsevärt i massa, vilket bryter denna symmetri.
Det som blir avgörande är dock att de två lättaste typerna av kvarkar – de tidigare nämnda up- och down-kvarkarna – skiljer sig lite i massa. Starka växelverkan behandlar dem därför inte på exakt samma sätt, men tillräckligt likt för att man kan tala om en ungefärlig smakssymmetri.
I kärnforskning är denna symmetri av stor betydelse. Det är den som gör att vi vet att om en högenergikollision med up-kvarkar producerar vissa sekundära partiklar med en given sannolikhet, så kommer nästan samma sannolikhet att gälla för andra motsvarande sekundära partiklar i en kollision där down-kvarkar är närvarande (och vice versa).
NA61/SHINE-experimentteamet var involverat i studien av K-mesoner (kaoner), som förekommer i olika typer vid högenergikollisioner mellan argon- och skandiumatomkärnor. Ursprungligen planerade gruppen att endast mäta elektriskt laddade kaoner. Man visste att kortlivade neutrala kaoner, utan elektrisk laddning, också produceras i kollisioner, men det verkade inte vara värt att mäta dem.
Det var ju uppenbart från smaksymmetrin att när negativa kaoner och positiva kaoner adderades skulle resultatet med god approximation motsvara antalet neutrala kaoner. Till slut beslutade gruppen dock att mäta alla typer av kaoner – och det blev en stor framgång.
”De resultat som vårt team har publicerat visar sig vara statistiskt signifikant olika från tidigare teoretiska förutsägelser. Man brukar anta att avvikelser i experimentella data, på grund av smaksymmetrins approximativa natur, inte överstiger 3 % i detta energiområde. Vi rapporterar däremot en överproduktion av laddade kaoner på upp till 18 %”, säger professor Rybicki.
När man tittar närmare blir den observerade effekten ännu mer intressant. En stabil isotop av argon har 18 protoner och 22 neutroner, medan det i skandium finns tre neutroner mer i en stabil kärna än det finns protoner.
Protoner är konglomerat av två uppkvarkar och en nedkvark, neutroner är det omvända, så enkel aritmetik visar att det fanns något fler nedkvarkar i de system som studerades före kollisionerna.
”Eftersom vi började med fler downkvarkar än upkvarkar skulle vi intuitivt förvänta oss att om det finns en störning av smaksymmetrin, borde vi observera fler downkvarkar efter kollisionen. Våra analyser visar dock entydigt att smaksymmetrin störs i motsatt riktning och att det i slutändan är uppkvarkarna som är vanligare”, säger initiativtagaren till mätningen av neutrala kaoner, professor Katarzyna Grebieszkow från Warszawas tekniska universitet.
Orsakerna till den observerade symmetribrytningen i kollisioner mellan argon- och skandiumatomkärnor är för närvarande okända.
Kanske har de teoretiska beräkningarna som inspirerats av kvantkromodynamik inte tagit hänsyn till någon viktig egenskap hos dessa kollisioner. En annan, mer spektakulär möjlighet kan dock inte uteslutas: att den observerade effekten går utöver den befintliga teorin om starka växelverkan och den standardmodell som byggts upp med hjälp av den, vilket skulle innebära att det är ett uttryck för den länge eftertraktade ”nya fysiken”.
Oavsett vidare utveckling har upptäckten redan betydande konsekvenser för forskare som studerar högenergikollisioner mellan partiklar och atomkärnor. Antagandet om att symmetrin i fråga existerar har nämligen använts i årtionden för att modellera förloppet av många kärnfysikaliska experiment och tolka resultaten av dessa.
”Poängen är att vi har upptäckt symmetribrytning i kollisioner mellan atomkärnor. I dag kan vi ännu inte säga om detta är ett universellt fenomen som påverkar alla växelverkan med kvarkar, eller om det till exempel endast förekommer för kärnor med en viss massa eller för vissa, men inte andra, kollisionsenergier”, betonar professor Rybicki.
”I praktiken innebär detta att praktiskt taget alla modeller för partikelproduktion i högenergikollisioner och ett stort antal experimentella resultat måste omvärderas noggrant.”
Under de kommande månaderna kommer forskarna från NA61/SHINE-teamet att börja arbetet med att bekräfta symmetribrott i smaksymmetrin i kollisioner som kännetecknas av initialt lika antal upp- och nedkvarkar.
”Det första fokuset kommer att ligga på de tiotals miljoner redan registrerade kollisioner av pi+ och pi-mesoner med kolkärnor, där det är möjligt att tala om fullständig smak symmetri före kollisionen”, säger Dr Seweryn Kowalski, professor vid Schlesiens universitet, som tillsammans med professor Eric Zimmerman från University of Colorado Boulder leder NA61/SHINE-experimentet.
”Nästa steg blir att studera förloppet av kollisioner mellan syre och syre samt magnesium och magnesium, där det senare systemet verkar särskilt lovande på grund av komplexiteten hos atomkärnor som liknar argon och skandium, vars kollisioner gjorde det möjligt att upptäcka det aktuella fenomenet.”
Enligt forskarna måste vi fortfarande vänta på de mest intressanta resultaten: kollisionerna mellan magnesiatkärnor kommer att vara möjliga först efter den treåriga uppgradering av LHC som snart ska påbörjas.
Mer information: Giacosa, F., et al, Evidence of isospin-symmetry violation in high-energy collisions of atomic nuclei, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57234-6
