LHCb widzi pierwszy sygnał rozpadu, który zdarza się raz na 10 mld cząstek pięknych

Sygnał, jeszcze nie odkrycie

Kolaboracja przedstawiła wynik na seminarium w CERN 3 listopada. CERN opisuje go jako pierwszy sygnał tego rozpadu uzyskany w jednym eksperymencie.

Same dane zebrane w 2024 i 2025 r. dały sygnał o istotności 3,0 odchylenia standardowego, podaje CERN. Dołożenie próbki z lat 2011 do 2018 podniosło istotność do 3,2 sigma. INFN szacuje, że to około jedna szansa na 1 500, że sygnał jest fluktuacją tła. Zespół złożył analizę do Physical Review X i opublikował ją jako arXiv:2611.00230. Pięć sigma to próg, którego fizycy cząstek wymagają, zanim ogłoszą odkrycie. Kolaboracja go nie ogłasza.

Pomiar testuje Model Standardowy w odległościach znacznie mniejszych niż wszystko, co Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) rozdziela bezpośrednio. Odchylenie wskazywałoby na nieznane cząstki. Na razie liczby zgadzają się z teorią. Potwierdzenie rozpadu wymaga pięciu sigma. Kolaboracja mówi, że potrzebuje na to więcej danych.

Dlaczego warto gonić rozpad zdarzający się raz na 10 mld

Model Standardowy przewiduje rozpad Bd na parę mionów. Zachodzi on mniej więcej raz na 10 mld cząstek pięknych.

W tym rozpadzie cząstka piękna zamienia się w parę mionów, cięższych krewnych elektronu. W samych nowych danych zespół zmierzył frakcję rozgałęzienia około 1,26 na 10 mld, z niepewnością statystyczną rzędu 0,5. Przewidywanie Modelu Standardowego to około 1,03 na 10 mld, a po połączeniu ze starszymi danymi liczba wynosi 1,14. Im rzadszy rozpad, tym czulszy jest na cząstki zbyt ciężkie, żeby powstać bezpośrednio w zderzeniach LHC.

Rozpad sonduje bilionową część bilionowej części metra. Fizycy nazwali tę skalę zeptoverse.

Kwarki piękne żyją tylko około półtorej bilionowej sekundy. Potem się rozpadają.

Czterdzieści dwa lata i zmodernizowany detektor

Poszukiwania zaczęły się w 1984 roku. Wtedy eksperyment CLEO na Cornell University wyznaczył pierwszy górny limit na tempo rozpadu.

Wspólna analiza LHCb i CMS z 2015 roku zaobserwowała rozpad Bs na parę mionów. Ogłosiła też pierwszy sygnał rozpadu Bd na parę mionów. Późniejsze aktualizacje z danymi do 2018 roku tego sygnału nie potwierdziły. Zmienił się detektor. Modernizacja z 2024 roku pozwala LHCb zbierać dane pięć razy szybciej niż w latach 2010–2018. Lepsza identyfikacja cząstek i uczenie maszynowe pozwoliły zespołowi wyciągnąć sygnał z tła, podaje CERN. Wielka Brytania wniosła największy krajowy wkład w modernizację detektora, podaje UKRI. Jego podzespoły projektowano i budowano ponad dekadę.

Vertex Locator to krzemowy detektor pikselowy złożony na University of Liverpool. Znajduje się pięć milimetrów od wiązek LHC.

Analizę przeprowadził 19-osobowy zespół międzynarodowy. LHCb rejestruje setki milionów zderzeń protonów na sekundę, strumień danych to 4 TB na sekundę. Wyłuskanie mionów z przytłaczającego tła wymaga ekstremalnej precyzji, powiedział Marco Santimaria, który współkierował zespołem.

Siostrzany rozpad też się wyostrza

Ta sama analiza zmierzyła rozpad Bs na parę mionów. To najdokładniejszy pomiar tego rozpadu do tej pory.

Zespół wyznaczył frakcję rozgałęzienia 3,31 na miliard, przy przewidywaniu Modelu Standardowego 3,66 na miliard. Bs na parę mionów zachodzi około trzy razy na miliard rozpadów cząstek pięknych. To czyni rozpad Bd na parę mionów około trzydzieści razy rzadszym. Badacze zmierzyli też efektywny czas życia Bs w tym rozpadzie na 1,42 pikosekundy, z niepewnością statystyczną 0,18. Po połączeniu z wcześniejszymi danymi LHCb czas życia wynosi 1,60 pikosekundy.

Co dalej

High Luminosity LHC ma ruszyć w 2030 roku. Zaangażowane 28 krajów zgodziło się na modernizację detektora za 150 mln funtów, która zwiększyłaby częstość tych rozpadów dziesięciokrotnie, podało BBC. W zeszłym roku UK Research and Innovation (UKRI) ogłosiło wycofanie swojej części pieniędzy na tę modernizację. Tim Gershon, który kieruje międzynarodową kolaboracją LHCb, powiedział BBC News, że pełny udział Wielkiej Brytanii w badaniach stoi pod znakiem zapytania.

„Wielka Brytania może wypaść z udziału w naprawdę dużych odkryciach”, powiedział Gershon w rozmowie z BBC News.

Chris Parkes z University of Manchester kierował kolaboracją. Prowadził ją przez budowę zmodernizowanego detektora. Powiedział, że zespół planuje eksperyment wykorzystujący High Luminosity LHC.