Hyperonsönderfall inom BESIII och PANDA-experimenten – sällsamma nycklar till fundamentala krafter och symmetrier

Karin Schönning. Foto: Mats Kamsten.

Vetenskapsrådet fattade den 31 oktober 2019 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 40 840 000 SEK för perioden 2020-2023 för totalt nio projektbidrag och tre etableringsbidrag. Projekten kommer att inledas under 2020.

Projektbeskrivning

Projekttitel: Hyperonsönderfall inom BESIII och PANDA-experimenten – sällsamma nycklar till fundamentala krafter och symmetrier
Huvudsökande: Karin Schönning, avdelningen för kärnfysik
Beviljade medel: 3 825 000 SEK för perioden 2020-2023
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

I detta projekt använder jag hyperonsönderfall för att hitta ledtrådar till två av de största olösta gåtorna hos Universums materia: hur materien byggs upp av den starka kraften, och varför Universum består av så mycket mer materia än antimateria. Den synliga massan i Universum utgörs till största delen av nukleoner, som i sin tur kan delas in i protoner och neutroner. Nukleoner består av tre lätta upp- och nerkvarkar. Hyperoner liknar nukleoner men innehåller minst en tyngre sär-, charm- eller bottenkvark.

Den starka kraften håller dels ihop kvarkarna inuti nukleonen, dels nukleonerna inuti atomkärnan. Dessutom genererar den starka kraften nästan 99% av Universums synliga massa. Hur detta fungerar är dock svårt att beskriva rent kvantitativt. Det beror på den starka kraftens natur som skiljer sig väsentligt från till exempel elektromagnetismen: kraften mellan två starkt växelverkande elementarpartiklar ökar med avståndet medan kraften mellan två elektromagnetiska dito, till exempel elektroner, minskar. Det gör att kvarkar inte kan existera som isolerade, fria partiklar – de är alltid bundna i sammansatta system, så kallade hadroner. Detta kallas confinement och är än idag svårt att förklara utifrån grundläggande principer. Ett sätt att förstå detta bättre är att studera processer som sker på just de avstånd som motsvarar storleken på en typisk hadron. Tunga särkvarkshyperoner som sönderfaller till lättare hyperoner genom att sända ut ett elektron-positronpar, är ett exempel på en sådan process. Detta kallas Dalitzsönderfall och kommer inom ramen för detta projekt att studeras vid den nya PANDA Fas 0-experimentet vid GSI i Tyskland. Experimentet kombinerar befintliga detektorsystem från tungjonsexperimentet HADES med helt nya detektorer som utvecklats bland annat för det framtida antiproton-experimentet PANDA vid FAIR, Tyskland. Mätningarna är de första i sitt slag och beskriver kvantitativt hur kvarkarna är fördelade inuti hyperonen. Detta kan sedan jämföras med förutsägelser från teoretiska modeller och på så sätt vägleda framtidens teoribygge. Målet är att få en sammanhängande och kvantitativ beskrivning av den starka kraften över ett brett energiområde.

Projektets andra del rör Universums obalans mellan materia och antimateria. Trots att lika delar materia och antimateria borde bildats vid Big Bang, tyder allt på att vårt Universum i stort sett uteslutande består av materia. Vart tog antimaterien vägen? Kort efter Universums födelse måste processer ägt rum som anrikat mängden materia på bekostnad av antimateria. För att detta så kallade Baryogenesis ska vara möjligt, måste vissa kriterier vara uppfyllda. Ett av dessa är existensen av CP-brytande processer. CP-symmetri innebär att partiklar och antipartiklar följer samma lagar fast spegelvänt i rummet. Följaktligen borde en hyperon sönderfalla på exakt samma sätt som en antihyperon, om man byter tecken på rumskoordinaterna. Men stämmer detta? Nja, enligt Standardmodellen, den etablerade teorin för elementarpartiklarna och deras växelverkningar, kan avvikelser förekomma. Det mesta tyder dock på att CP-brott inom Standardmodellen är för små för att förklara Universums överskott på materia. På experimentsidan har störst fokus legat på sönderfall av kvark-antikvarksystem. Där har flera avvikelser påvisats, samtliga inom Standardmodellen. Sönderfall av trekvarksystem är däremot ganska outforskade. Den enda avvikelse som påvisats hittills är för liten för att förklara Universums överskott på materia. Min grupp i Uppsala har utarbetat en ny metod för att analysera hyperonsönderfall som är mer kraftfull än tidigare metoder. Inom detta projekt skall denna metod appliceras på den nya rekordstora mängden data vi samlat in med BESIII-experimentet i Kina vilket ger större precision än vad som tidigare varit möjligt.

Bägge delar i detta projekt utgör viktiga milstolpar för det framtida PANDA-experimentet vid FAIR, som kommer ge datamängder som är flera storleksordningar större än vid nuvarande experiment världen över. I mitt PANDA Fas 0-projekt kommer vi kunna testa hur ett av PANDAs viktigaste detektorsystem kan hantera och rekonstruera hyperonsignaler. Metoden för CP-test inom BESIII kan generaliseras så att den går att använda även inom PANDA. Med dessa kombinerade ansträngningar hoppas vi uppnå så pass precisa CP-mätningar att vi kan testa Standardmodellens giltighet – och kanske hitta tecken på fysik bortom den.