Po ponad czterech dekadach poszukiwań fizycy z eksperymentu LHCb w CERN ogłosili pierwsze samodzielne dowody na jeden z najrzadszych rozpadów cząstek w przyrodzie, który zdarza się zaledwie raz na dziesięć miliardów przypadków. Wyniki zaprezentowano na seminarium 3 listopada oraz w artykule opublikowanym w serwisie preprintów arXiv, który nie przeszedł jeszcze recenzji naukowej.
WIDEO…
LHCb znajduje dowody rozpadu mezonu B na dwa miony
Zespół LHCb ogłosił dowody na rozpad mezonu B0 na mion i antymion, czyli proces, który w Modelu Standardowym fizyki cząstek jest niezwykle rzadki. Mezon ten zbudowany jest z kwarka pięknego i antykwarka dolnego, a jego rozpad do pary mionów zachodzi statystycznie raz na około dziesięć miliardów rozpadów.
Kwarki piękne, obficie powstające w gorącej plazmie tuż po Wielkim Wybuchu, dziś naturalnie nie występują, dlatego naukowcy musieli je sami wytworzyć. W tym celu zderzali protony z prędkością bliską prędkości światła, tworząc ulotne mezony, które rozpadają się w ciągu około półtorej biliardowej części sekundy.
Poszukiwania tego typu bardzo rzadkich procesów są w orbicie zainteresowania fizyków od lat 80. XX wieku, ale wymagają gigantycznej precyzji. Dopiero najnowsze modernizacje detektorów oraz nowoczesne algorytmy uczenia maszynowego filtrujące szum tła pozwalają na ich skuteczne badanie.
Obserwacja była możliwa dzięki modernizacji detektora LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider beauty). LHCb jest wyspecjalizowanym eksperymentem fizyki mezonów B, zaprojektowanym głównie do pomiaru parametrów łamania kombinowanej symetrii parzystości (P) oraz symetrii ładunku (C) w oddziaływaniach hadronów b (ciężkich cząstek zawierających kwark denny). Takie badania mogą pomóc wyjaśnić asymetrię materii i antymaterii we Wszechświecie. Dane zebrano podczas w latach 2024 i 2025, przy energii 13,6 TeV.
Naukowcy otwierają drzwi do „zeptoświata”
Aby móc mówić o dowodach, fizycy potrzebują istotności statystycznej na poziomie trzech odchyleń standardowych, czyli tak zwanych trzech sigm, co odpowiada ryzyku 0,3 procenta, że wynik jest przypadkowy. Nowe dane z lat 2024 i 2025, połączone z wcześniejszymi pomiarami z lat 2011–2018, dają istotność 3,2 sigma.
Niladri Sahoo, fizyk cząstek z Uniwersytetu w Birmingham i koordynator grupy roboczej LHCb zajmującej się bardzo rzadkimi rozpadami, podkreślił, że pomiar ten oraz znacznie dokładniejsze zmierzenie pokrewnego rozpadu mezonu Bs stanowią „potężny nowy test Modelu Standardowego i okno na potencjalną nową fizykę”.
Harry Cliff, fizyk cząstek z Uniwersytetu w Cambridge i szef zespołu analitycznego, nie ukrywał emocji. – Zobaczenie po raz pierwszy wyraźnych dowodów tego najrzadszego rozpadu było ekscytujące. Pukamy teraz do drzwi zeptoświata. Nie mogę się doczekać, co odkryjemy, zagłębiając się dalej – powiedział w rozmowie z portalem Science Alert.
Wszystkie uzyskane wartości pozostają zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego, który opisuje większość znanego Wszechświata, lecz nie wyjaśnia natury ciemnej materii ani niewielkiej przewagi materii nad antymaterią, dzięki której kosmos nie uległ zagładzie tuż po Wielkim Wybuchu. Poszukiwania rozpadu mezonu B0 na dwa miony rozpoczęły się jeszcze w 1984 roku w eksperymencie CLEO. Osiągnięcie „złotego standardu” pięciu sigm (gdy przwdopodobieństwo przypadkowego błędu wynosi zaledwie ok. 0,000057%) wymagać będzie dalszych badań, a kolejne modernizacje zderzacza planowane na lata trzydzieste naszego wieku mają zwiększyć liczbę zderzeń o rząd wielkości.
Źródła: Science Alert, arXiv
