Cercetătorii de la CERN au găsit, în sfârșit, dovezi ale unei dezintegrări de particule atât de rare, încât aceasta are loc doar o dată la aproximativ 10 miliarde de dezintegrări, punând capăt unei căutări care s-a întins pe mai bine de 40 de ani. Descoperirea ar putea ajuta fizicienii să identifice particule și forțe ascunse, care depășesc posibilitățile celor mai puternice acceleratoare de particule disponibile în prezent, arată Science Daily.
După mai bine de 40 de ani de căutări, fizicienii de la CERN au atins o etapă importantă în investigarea uneia dintre cele mai rare dezintegrări cunoscute ale particulelor. Cercetătorii care lucrează la experimentul LHCb au detectat dovezi ale unui proces despre care se estimează că are loc doar o dată la aproximativ 10 miliarde de dezintegrări ale particulelor de tip beauty.
Descoperirea, anunțată în cadrul unui seminar organizat la CERN, marchează prima ocazie în care un singur experiment a produs suficiente dovezi pentru acest fenomen extraordinar de rar. Dincolo de raritatea sa, dezintegrarea este deosebit de valoroasă deoarece ar putea ajuta oamenii de știință să investigheze particule prea masive pentru a putea fi create direct în Marele Accelerator de Hadroni (LHC).
În centrul descoperirii se află o particulă numită Bd, care conține un quarc beauty și un antiquarc down. Oamenii de știință au găsit dovezi că această particulă se poate dezintegra într-o pereche de miuoni (μ+μ-). Miuonii sunt asemănători electronilor, dar au o masă mai mare. Rezultatele sunt în concordanță cu predicțiile Modelului Standard, principala teorie care descrie particulele fundamentale și interacțiunile dintre acestea, și contribuie la restrângerea posibilităților privind existența unor particule noi, dincolo de acest model.
De ce ar putea dezintegrarea rară a particulelor să dezvăluie o nouă fizică
Unul dintre motivele pentru care fizicienii sunt atât de interesați de aceste dezintegrări neobișnuite este faptul că efectele cuantice permit altor particule să influențeze modul în care acestea au loc. Chiar și particulele prea grele pentru a fi produse în Marele Accelerator de Hadroni pot lăsa urme subtile în frecvența acestor procese.
Prin măsurarea cu o precizie foarte mare a dezintegrărilor extrem de rare, cercetătorii pot căuta diferențe între rezultatele experimentale și predicțiile teoretice. Astfel de discrepanțe ar putea reprezenta dovezi indirecte ale unor particule necunoscute până acum. În general, cu cât o dezintegrare este mai rară, cu atât poate fi mai sensibilă la influențele acestor particule ascunse.
Dezintegrarea cunoscută sub denumirea Bd → μ+μ- face parte dintr-o categorie specială de procese pe care fizicienii le consideră de mult timp „canale de aur” pentru investigarea fenomenelor fizice care depășesc Modelul Standard. În timpul acestui proces, un quarc beauty (n.r. frumusețe) și un antiquarc cu sarcină electrică opusă se anihilează reciproc. Energia lor se transformă într-un miuon și antiparticula acestuia.
Oamenii de știință au observat anterior un proces asemănător, care implică o altă particulă beauty, numită Bs. În 2015, o analiză comună realizată de colaborările LHCb și CMS a raportat prima observare confirmată a procesului Bs → μ+μ-, alături de primele dovezi privind mult mai rara dezintegrare Bd.
Cu toate acestea, analizele ulterioare, care au inclus datele colectate până în 2018, nu au putut confirma dovezile anterioare pentru Bd → μ+μ-. Diferența dintre frecvența celor două procese este considerabilă. Dezintegrarea Bs are loc în aproximativ trei cazuri la un miliard de dezintegrări ale particulelor beauty, în timp ce procesul Bd este estimat să fie de aproximativ 30 de ori mai rar.
Detectorul modernizat de la CERN face posibilă descoperirea
O îmbunătățire semnificativă a experimentului LHCb i-a ajutat pe cercetători să depășească dificultatea enormă de a detecta un astfel de eveniment rar.
După o modernizare majoră, experimentul a început să colecteze date în 2024 cu o rată de cinci ori mai mare decât cea înregistrată în perioada 2010-2018. Detectorul modernizat a devenit, de asemenea, mai performant în identificarea diferitelor tipuri de particule, oferindu-le cercetătorilor o imagine mai clară asupra activității generate în timpul coliziunilor.
Echipa a combinat aceste îmbunătățiri cu tehnici de învățare automată (machine learning) pentru a diferenția semnalele extrem de rare de numărul uriaș de alte procese care implică particule. Fără aceste progrese, evenimentele pe care oamenii de știință doreau să le studieze ar fi fost practic imposibil de distins de semnalele de fond.
„Fizicienii urmăresc această dezintegrare de mai bine de patruzeci de ani”, a declarat Marco Santimaria, care a coordonat, alături de un alt cercetător, echipa internațională de analiză formată din 19 oameni de știință. „Este necesară o precizie extremă pentru a identifica miuonii în mijlocul semnalelor de fond copleșitoare.”
Patru decenii de căutări produc, în sfârșit, dovezi solide
În fizica particulelor, oamenii de știință folosesc o măsură statistică numită deviație standard pentru a evalua cât de probabil este ca un semnal aparent să fie rezultatul unor fluctuații aleatorii, și nu al unui proces fizic real.
Un rezultat trebuie să atingă pragul de trei deviații standard pentru a fi considerat o dovadă a unui fenomen nou. La acest nivel, probabilitatea ca fluctuațiile aleatorii să producă un semnal cel puțin la fel de extrem din punct de vedere statistic este de aproximativ 0,3%.
Folosind datele colectate în 2024 și 2025, cercetătorii LHCb au identificat dovezi ale procesului Bd → μ+μ-, cu o semnificație statistică de 3,0 deviații standard. Atunci când au combinat aceste măsurători cu datele anterioare, colectate între 2011 și 2018, semnificația statistică a crescut la 3,2 deviații standard, depășind pragul larg acceptat pentru existența unor dovezi.
Aceeași investigație a produs și cele mai precise măsurători realizate vreodată pentru procesul înrudit Bs → μ+μ-, oferind informații suplimentare despre aceste procese extrem de neobișnuite.
Deși noile rezultate reprezintă o realizare importantă, fizicienii nu au atins încă pragul necesar pentru a declara că fenomenul a fost observat în mod confirmat. Pentru atingerea acestei etape este necesară o semnificație statistică de cinci deviații standard.
Dacă măsurătorile viitoare vor atinge acest nivel de certitudine, Bd → μ+μ- va deveni cea mai rară dezintegrare a unei particule beauty observată vreodată.
Viitoarele modernizări ale Marelui Accelerator de Hadroni ar putea dezvălui particule ascunse
Cercetătorii se așteaptă ca viitoarele îmbunătățiri ale Marelui Accelerator de Hadroni să facă aceste măsurători și mai precise și mai eficiente.
LHC de Înaltă Luminozitate, cunoscut și sub denumirea de HiLumi LHC, este programat să înceapă să funcționeze în 2030. O altă modernizare majoră a experimentului LHCb este planificată pentru mijlocul deceniului următor. Împreună, aceste dezvoltări ar putea permite, în cele din urmă, creșterea de încă zece ori a ratei de colectare a datelor de către experiment.
Colectarea unor seturi de date mult mai mari le-ar permite fizicienilor să detecteze mai multe dintre aceste dezintegrări extrem de rare și să le măsoare proprietățile cu o precizie mai mare. Sensibilitatea sporită ar putea face posibilă identificarea unor efecte subtile asociate particulelor care rămân în afara posibilităților de detectare directă ale acceleratoarelor existente.
„Observarea dovezilor acestei dezintegrări rare este extraordinar de interesantă și deschide noi posibilități de investigare a fenomenelor care depășesc ceea ce poate fi accesat direct cu ajutorul LHC”, a explicat Harry Cliff, coordonatorul programului LHCb dedicat dezintegrărilor rare și co-coordonatorul analizei.
„Viitoarea modernizare a experimentului LHCb ne va permite să observăm mult mai multe astfel de dezintegrări, oferind o sensibilitate și mai mare la particulele încă nedescoperite.”
Pentru fizicienii care au urmărit acest semnal evaziv timp de peste patru decenii, noile dovezi reprezintă un progres așteptat de mult timp. În același timp, ele oferă o modalitate promițătoare de a investiga dacă legile cunoscute ale fizicii particulelor reprezintă doar o parte a unei imagini mult mai ample.