LHCb widzi rozpad mezonu B0 na dwa miony przy 3,2 sigma

To wystarcza na dowód, nie na odkrycie.

Jak podaje współpraca LHCb, po raz pierwszy pojedynczy eksperyment dał dowód na ten rozpad. Dla teoretyków przewidywanie, za którym gonią od czterech dekad, ma teraz przypisany pomiar. Kanał od dawna uznawany za złoty w poszukiwaniu nowej fizyki jest teraz mierzalny. Każda przyszła różnica między pomiarem a przewidywaniem wskazywałaby na cząstki spoza Modelu Standardowego.

Dowód, nie odkrycie

Sci.News pisał 3 listopada, że same nowe dane dają istotność 3,0 odchylenia standardowego. W połączeniu z wcześniejszymi danymi LHCb rośnie ona do 3,2. Obie wartości leżą poniżej progu pięciu sigma, którego fizyka cząstek wymaga, zanim ktokolwiek powie „odkrycie”. Zwróciły na to uwagę University of Liverpool i UKRI. INFN ujął to prościej: mniej więcej jedna szansa na 1 500, że sygnał powstał z fluktuacji tła.

Analizę złożono do Physical Review X. Zespołem analitycznym kierowało Cavendish Laboratory w Cambridge. Laboratorium zaznaczyło, że wyniki nie przeszły jeszcze recenzji.

Dlaczego rzadki rozpad jest wart pogoni

Miony to cięższe kuzynki elektronu.

Rzadkość jest tu sednem. Według University of Manchester im rzadszy jest rozpad, tym czulej może reagować na wpływ nowych cząstek. Takie cząstki mogłyby zmieniać częstość jego występowania. Kwarki piękne powstają w LHC w ogromnych liczbach, ale żyją około półtora bilionowej części sekundy. Fizycy mierzą więc, jak się rozpadają, a nie same kwarki.

Poszukiwania są stare. Eksperyment CLEO na Cornell University wyznaczył pierwszy górny limit na częstość tego rozpadu w 1984 roku, podaje Sci.News.

LHC rozróżnia strukturę do około stu zeptometrów, twierdzi Cambridge. Nowe cząstki, jeśli istnieją, mogą leżeć na poziomie zeptometra, bilionowej części miliardowej metra. LHCb nie widzi tak daleko bezpośrednio. Szuka interferencji, jaką takie cząstki zostawiłyby w rzadkich rozpadach.

Jak powstał pomiar

Zmodernizowany detektor LHCb rejestruje zderzenia w tempie do pięciu razy większym niż poprzednio. Większa próbka umożliwiła analizę.

Zespół połączył dane z 2024 i 2025 roku z wcześniejszymi zbiorami z lat 2011 do 2018, podaje UKRI. Wykorzystał lepszą identyfikację cząstek i metody uczenia maszynowego. Odsiewają one rozpad od znacznie większego tła zwykłych zderzeń. LHCb rejestruje setki milionów zderzeń protonów na sekundę, strumień danych o wielkości 4 terabajtów na sekundę, według INFN.

Vertex Locator, detektor pikselowy z krzemu złożony na University of Liverpool, stoi pięć milimetrów od wiązek LHC i tworzy pierwszą warstwę systemu śledzenia. Pozwala fizykom wskazać miejsce rozpadu krótko żyjących cząstek. Nad analizą pracowało około 20 fizyków z Wielkiej Brytanii, Niemiec, Włoch, Hiszpanii i Holandii, podaje Cambridge.

Liczby na tle Modelu Standardowego

Nowe dane dają frakcję rozgałęzienia około 1,26 na 10 000 000 000, z niepewnością statystyczną rzędu 0,5 na 10 000 000 000. Przewidywanie Modelu Standardowego to około 1,03 na 10 000 000 000. W połączeniu ze starszymi danymi zmierzona wartość wynosi 1,14 na 10 000 000 000.

Zespół zmierzył też ponownie proces pokrewny, rozpad mezonu B0s na dwa miony, który LHCb zaobserwował po raz pierwszy w 2015 roku. Otrzymał frakcję rozgałęzienia 3,31 na miliard wobec przewidywania 3,66 na miliard. Zespół nazwał to najprecyzyjniejszym wyznaczeniem do tej pory. Efektywny czas życia B0s w tym rozpadzie wyszedł 1,42 pikosekundy z niepewnością statystyczną 0,18. W połączeniu z wcześniejszymi danymi to 1,60 pikosekundy.

Wszystko zgadza się z Modelem Standardowym w granicach niepewności.

Co rozstrzygnęłoby więcej danych

Więcej zderzeń to oczywisty następny krok. INFN podaje, że kolejna modernizacja LHCb zwiększy tempo zbierania danych dziesięciokrotnie w ciągu najbliższej dekady.

Professor Chris Parkes z University of Manchester prowadził współpracę przez budowę modernizacji. Powiedział, że zespół planuje eksperyment wykorzystujący High Luminosity LHC. Dodał też, że Wielka Brytania wniosła największy wkład narodowy w zmodernizowany detektor. To piętnastoletni projekt prowadzony przez współpracę liczącą 1 900 członków.

Dr Harry Cliff z Cavendish Laboratory w Cambridge kierował analizą. „Gdy zobaczyliśmy wynik po raz pierwszy, to była naprawdę ekscytująca chwila” powiedział, według Sci.News. „Zobaczyć coś, czego ludzie szukali, zanim się urodziłem, to prawdziwy przywilej.”

Marco Santimaria z INFN współkierował zespołem. „Trzeba ekstremalnej precyzji, żeby wyłuskać miony z przytłaczającego tła” powiedział.

Czy częstość zostanie tam, gdzie jest, czy przesunie się w stronę czegoś, czego Model Standardowy nie wyjaśnia, to teraz kwestia statystyki. Odpowiedzi jeszcze nie ma.