Pēc vairāk nekā 40 gadu ilgiem meklējumiem CERN fiziķi sasnieguši nozīmīgu pavērsienu vienā no retākajiem zināmajiem daļiņu sabrukumiem. Lielā hadronu paātrinātāja LHCb eksperimenta pētnieki ieguvuši pierādījumus procesam, kas, pēc prognozēm, notiek tikai aptuveni vienā no 10 miljardiem skaistuma daļiņu sabrukumu.

Rezultāts tika paziņots seminārā CERN un ir pirmā reize, kad vienam eksperimentam izdevies iegūt pietiekamus pierādījumus par šo ārkārtīgi reto notikumu. Šis sabrukums ir vērtīgs ne tikai retuma dēļ — tas var palīdzēt pētīt daļiņas, kas ir pārāk masīvas, lai tās tieši radītu Lielajā hadronu paātrinātājā.

Atklājuma centrā ir daļiņa Bd, kas sastāv no skaistuma kvarka un lejupvērstā antikvarka. Zinātnieki atraduši pierādījumus, ka tā var sabrukt mūonu pārī (μ+μ-). Mūoni ir līdzīgi elektroniem, taču tiem ir lielāka masa. Iegūtie rezultāti atbilst Standarta modeļa — vadošās teorijas par fundamentālajām daļiņām un to mijiedarbību — prognozēm, vienlaikus sašaurinot iespējamo jauno, ārpus šā modeļa esošo daļiņu klāstu.

Kāpēc reti daļiņu sabrukumi var atklāt jaunu fiziku

Fiziķus šādi neparasti sabrukumi interesē tāpēc, ka kvantu efekti var ietekmēt to norisi. Pat daļiņas, kas ir pārāk smagas, lai tās radītu Lielajā hadronu paātrinātājā, var atstāt smalkas pēdas šo procesu biežumā.

Ļoti retus sabrukumus mērot ar augstu precizitāti, pētnieki var salīdzināt eksperimentālos rezultātus ar teorētiskajām prognozēm. Atšķirības varētu sniegt netiešus pierādījumus līdz šim nezināmām daļiņām. Kopumā — jo retāks ir sabrukums, jo jutīgāks tas var būt pret šādu slēptu ietekmi.

Sabrukums Bd → μ+μ- pieder pie procesiem, kurus fiziķi jau ilgi uzskata par “zelta kanāliem” fizikas izpētē ārpus Standarta modeļa. Šajā procesā skaistuma kvarks un antikvarks ar pretēju elektrisko lādiņu anihilējas, bet to enerģija pārvēršas mūonā un tā antidaļiņā.

Zinātnieki iepriekš bija novērojuši saistītu procesu ar citu skaistuma daļiņu Bs. 2015. gadā LHCb un CMS sadarbības projekti kopīgā analīzē paziņoja par pirmo apstiprināto Bs → μ+μ- novērojumu, kā arī sākotnējiem pierādījumiem par daudz retāko Bd sabrukumu.

Tomēr vēlākas analīzes, kurās tika iekļauti līdz 2018. gadam savāktie dati, iepriekšējos pierādījumus par Bd → μ+μ- neapstiprināja. Abu procesu retuma atšķirība ir ievērojama: Bs sabrukums notiek aptuveni trīs reizes uz miljardu skaistuma daļiņu sabrukumu, savukārt Bd process, pēc prognozēm, ir aptuveni 30 reižu retāks.

Atjauninātais CERN detektors padarīja izrāvienu iespējamu

Būtisks LHCb eksperimenta uzlabojums palīdzēja pārvarēt milzīgās grūtības, kas saistītas ar tik reta notikuma noteikšanu. Pēc nozīmīgas modernizācijas eksperiments 2024. gadā sāka vākt datus ar piecas reizes lielāku ātrumu nekā laika posmā no 2010. līdz 2018. gadam.

Atjauninātais detektors arī labāk identificē dažādu veidu daļiņas, ļaujot pētniekiem skaidrāk izprast sadursmēs radīto aktivitāti. Komanda šos uzlabojumus apvienoja ar mašīnmācīšanās metodēm, lai ārkārtīgi retos signālus atšķirtu no milzīgā citu daļiņu procesu fona. Bez šiem sasniegumiem meklētie notikumi būtu pazuduši fona procesos.

“Fiziķi šo sabrukumu meklē vairāk nekā četrdesmit gadus,” sacīja Marko Santimaria, kurš bija viens no starptautiskās 19 zinātnieku analīzes komandas vadītājiem. “Lai izdalītu mūonus no milzīgā fona, nepieciešama ārkārtēja precizitāte.”

Četras desmitgades meklējumu sniedz pārliecinošus pierādījumus

Daļiņu fizikā zinātnieki izmanto statistisku mēru — standartnovirzes —, lai novērtētu, cik ticami ir tas, ka šķietamu signālu radījušas nejaušas svārstības, nevis īsts fizikāls process.

Lai rezultātu varētu kvalificēt kā pierādījumu jaunai parādībai, tam jāsasniedz trīs standartnovirzes. Šādā līmenī nejaušu svārstību varbūtība radīt vismaz tikpat statistiski izteiktu signālu ir aptuveni 0,3%.

Izmantojot 2024. un 2025. gadā savāktos datus, LHCb pētnieki Bd → μ+μ- procesam konstatēja 3,0 standartnoviržu nozīmību. Apvienojot šos mērījumus ar agrākiem, no 2011. līdz 2018. gadam iegūtiem datiem, statistiskā nozīmība pieauga līdz 3,2 standartnovirzēm, pārsniedzot plaši pieņemto pierādījumu slieksni.

Tā pati izpēte sniedza arī līdz šim precīzākos ar Bs → μ+μ- sabrukumu saistītos mērījumus, papildinot zināšanas par šiem ārkārtīgi retajiem procesiem. Lai gan jaunie rezultāti ir nozīmīgs sasniegums, fiziķi vēl nav sasnieguši līmeni, kas vajadzīgs apstiprinātam novērojumam. Šim statusam nepieciešama piecu standartnoviržu nozīmība.

Ja turpmākie mērījumi sasniegs šo noteiktības līmeni, Bd → μ+μ- kļūs par retāko jebkad novēroto skaistuma daļiņas sabrukumu.

Nākotnes paātrinātāja uzlabojumi varētu atklāt slēptas daļiņas

Pētnieki sagaida, ka gaidāmie Lielā hadronu paātrinātāja uzlabojumi šādus mērījumus padarīs vēl jaudīgākus. Augstas luminositātes Lielajam hadronu paātrinātājam, ko dēvē arī par HiLumi LHC, paredzēts sākt darbu 2030. gadā. Savukārt vēl viena nozīmīga LHCb eksperimenta modernizācija plānota nākamās desmitgades vidū.

Kopā šie uzlabojumi ilgtermiņā varētu palielināt eksperimenta datu vākšanas ātrumu vēl desmitkārt. Daudz lielākas datu kopas ļautu fiziķiem atklāt vairāk ārkārtīgi retu sabrukumu un precīzāk izmērīt to īpašības.

Lielāka jutība varētu palīdzēt identificēt smalkus efektus, ko rada daļiņas, kas joprojām atrodas ārpus esošo paātrinātāju tiešās sasniedzamības. “Redzēt pierādījumus šim retajam sabrukumam ir neticami aizraujoši, jo tas paver jaunas iespējas pētīt parādības ārpus LHC tiešās sasniedzamības,” skaidroja Harijs Klifs, LHCb reto sabrukumu koordinators un analīzes līdzvadītājs.

“Nākotnes LHCb modernizācija ļaus novērot daudz vairāk šādu sabrukumu, sniedzot vēl lielāku jutību pret līdz šim neatklātām daļiņām.” Fiziķiem, kuri šo nenotveramo signālu meklējuši vairāk nekā četras desmitgades, jaunie pierādījumi ir ilgi gaidīts progress. Tie piedāvā arī daudzsološu veidu, kā pārbaudīt, vai zināmie daļiņu fizikas likumi ir tikai daļa no daudz plašākas ainas.