Fizičari eksperimenta LHCb u CERN-u pronašli su trag raspada toliko rijetkog da se, prema teoriji, događa približno jednom među deset milijardi raspada čestice B⁰. Kratkoživući mezon pritom se pretvara u mion i njegovu antičesticu, antimion. Za tim procesom istraživači tragaju više od četrdeset godina.
To je prvi put da je jedan eksperiment samostalno dobio statistički uvjerljiv trag tog raspada. Za potvrđeno otkriće trebat će još podataka. Mjerenja zasad odgovaraju Standardnom modelu, teoriji koja opisuje poznate elementarne čestice i njihove interakcije.
Tim LHCb-a predstavio je rezultat u CERN-u 3. studenoga. Detaljnu analizu, dostupnu na arXivu, uputio je na recenziju časopisu Physical Review X.
Što zapravo znači jedan slučaj u deset milijardi?
Jedan slučaj u deset milijardi odnosi se na učestalost određenog načina raspada mezona B⁰, a ne na broj sudara protona potrebnih da se on dogodi. Sudari u Velikom hadronskom sudaraču proizvode mnoštvo različitih čestica. Fizičari među njima izdvajaju mezon B⁰ i proučavaju kako se raspada.
B⁰ je električki neutralan mezon sastavljen od teškog antikvarka b i lakšeg kvarka d. U literaturi se označava i kao Bd. Može se raspasti na različite načine, no raspad u samo mion i antimion osobito je malo vjerojatan. Mion je srodan elektronu, ali mnogo masivniji; antimion ima suprotan električni naboj. Njihovi tragovi u detektoru omogućuju rekonstrukciju raspada.
Standardni model predviđa oko 1,03 takva raspada na deset milijardi raspada B⁰. Kad se objedine nova i ranija mjerenja LHCb-a, dobiva se procjena od oko 1,14 takvih raspada na deset milijardi. Statistička nesigurnost pritom iznosi približno 0,4, pa je razlika u odnosu na teorijsko predviđanje znatno manja od nesigurnosti mjerenja.
Zašto fizičari još ne govore o otkriću
Podaci prikupljeni 2024. i 2025. daju signal značajnosti 3,0 standardne devijacije, odnosno tri sigme. Kad se pridruže ranija mjerenja LHCb-a iz razdoblja od 2011. do 2018., značajnost raste na 3,2 sigme. To je dovoljno da fizičari govore o uvjerljivom tragu, ali za proglašenje otkrića traži se značajnost od pet standardnih devijacija.
Značajnost pokazuje koliko je teško zabilježeni višak događaja objasniti statističkim kolebanjem pozadine, uz pretpostavku da traženog signala nema. Ona sama ne govori kolika je vjerojatnost da je neka teorija točna. Više podataka trebalo bi pokazati postaje li signal jasniji ili početni višak slabi.
Oprez ima i dobar povijesni razlog. Zajednička analiza eksperimenata LHCb i CMS već je 2015. pokazala naznaku tog raspada, no kasnija mjerenja nisu je potvrdila. LHCb sada prvi put samostalno izdvaja statistički uvjerljiv signal, bez objedinjavanja podataka s drugim eksperimentom.
Kako izdvojiti dva miona iz mnoštva drugih čestica
LHCb je osmišljen za proučavanje čestica koje sadrže teške kvarkove. U ovom istraživanju tim je upotrijebio podatke iz sudara protona pri energiji od 13,6 teraelektronvolta, snimljene nadograđenim detektorom. Velik uzorak i bolje prepoznavanje vrsta čestica bili su presudni za potragu za rijetkim raspadom.
Sama pojava dvaju miona nije dovoljan dokaz. Mogu nastati u drugim procesima i slučajno ostaviti tragove nalik traženom raspadu. Druge čestice detektor ponekad može i pogrešno prepoznati kao mione. Istraživači zato uspoređuju tragove, mjesto nastanka para i njegova zajednička svojstva s onim što bi očekivali od raspada B⁰.
Strojno učenje pomaže odbaciti velik dio neželjene pozadine. Iz energije i gibanja para miona rekonstruira se masa čestice iz koje su mogli nastati. Tim zatim provjerava postoji li višak događaja na masi koja odgovara mezonu B⁰. Metode su pripremili prije nego što su pogledali područje podataka u kojem očekuju signal, kako očekivanja istraživača ne bi utjecala na odabir postupka.
Kozmos je ranije pisao o rijetkom raspadu bariona koji također uključuje mione. Ovdje se istražuje druga vrsta čestice i drugi raspad, iako obje potrage zahtijevaju izdvajanje vrlo rijetkog signala iz goleme količine podataka.
Kako poznati raspad može otkriti nepoznate čestice
Upravo mala vjerojatnost čini ovaj proces zanimljivim. Nepoznate čestice ne moraju nastati izravno u sudaru da bi utjecale na ponašanje poznatih čestica. Njihov kvantni doprinos mogao bi promijeniti učestalost rijetkog raspada. Precizno mjerenje te učestalosti zato omogućuje provjeru nekih teorija na energetskim ljestvicama izvan izravnog dosega sudarača.
Kako objašnjava Sveučilište u Cambridgeu, čiji je fizičar Harry Cliff jedan od voditelja analize, takva mjerenja omogućuju istraživanje procesa na iznimno malim udaljenostima. Zasad nisu pokazala novu česticu, ali suzila su prostor za teorije koje predviđaju veću promjenu učestalosti ovog raspada.
Sljedeći je cilj prikupiti dovoljno podataka da signal dosegne pet standardnih devijacija, a zatim što preciznije odrediti učestalost raspada. Ako se pojavi pouzdano odstupanje od predviđanja Standardnog modela, fizičari će morati potražiti objašnjenje. Nastave li se mjerenja slagati s teorijom, dodatno će ograničiti mogućnosti za nove čestice koje bi mogle sudjelovati u tom procesu.
