Rzadki rozpad mezonu B powinien zachodzić zaledwie raz na 10 miliardów rozpadów tych cząstek. Po 42 latach poszukiwań fizycy z eksperymentu LHCb przedstawili dowody na jego występowanie. Wynik pozwala sprawdzić przewidywania Modelu Standardowego z wyjątkową precyzją, choć do ogłoszenia odkrycia potrzeba jeszcze więcej danych.
Rzadki rozpad mezonu B uchwycony w danych LHCb
Podczas seminarium w CERN 3 listopada 2026 roku badacze przedstawili wynik poszukiwań rozpadu neutralnego mezonu B⁰, nazywanego również mezonem B_d, na mion i antymion. Opis analizy udostępniono także w serwisie arXiv jako preprint, który nie przeszedł jeszcze recenzji naukowej.
To pierwsze dowody na ten proces uzyskane przez pojedynczy eksperyment. Wcześniej, w 2015 roku, wspólna analiza danych LHCb i CMS przyniosła podobną wskazówkę, ale późniejsze pomiary jej nie potwierdziły. Nowy wynik ponownie przybliża fizyków do rozstrzygnięcia sprawy. lhcb-outreach.web.cern.ch
Poszukiwania tego rozpadu rozpoczęły się w 1984 roku. Trudność polega na jego niezwykle małym prawdopodobieństwie: zgodnie z Modelem Standardowym tylko około jeden na 10 miliardów mezonów B⁰ powinien rozpadać się właśnie w taki sposób.
Cząstki powstające na ułamek sekundy
Mezon B⁰ składa się z kwarku dolnego i antykwarku pięknego. Jego antycząstka zawiera odwrotną parę: kwark piękny oraz antykwark dolny. Badanie uwzględnia oba odpowiadające sobie procesy. arxiv.org
Takie cząstki powstają podczas wysokoenergetycznych zderzeń protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Energia zderzenia może zamienić się w masę nowych cząstek, w tym kwarków pięknych, które szybko łączą się z innymi kwarkami.
Mezony zawierające kwark piękny są bardzo nietrwałe. Ich czas życia wynosi około półtorej bilionowej części sekundy. Zwykle rozpadają się innymi drogami, dlatego znalezienie pary mion–antymion pochodzącej z poszukiwanego procesu wymaga ogromnej liczby zderzeń i bardzo dokładnego odrzucania przypadkowego tła.
Same miony są cięższymi krewnymi elektronów. Żyją przeciętnie około dwóch milionowych sekundy, po czym również się rozpadają.
Modernizacja detektora i uczenie maszynowe
LHCb jest jednym z eksperymentów działających przy Wielkim Zderzaczu Hadronów. Jego zadaniem jest między innymi badanie cząstek zawierających kwarki piękne oraz ich rozpadów.
Niedawna modernizacja pozwoliła zespołowi rejestrować zderzenia z około pięciokrotnie większą szybkością niż w latach 2010–2018. Ważną rolę odgrywa detektor wierzchołkowy VELO, którego elementy znajdują się zaledwie około 5 milimetrów od wiązek protonów. Umożliwia on precyzyjne odtwarzanie torów cząstek oraz miejsc ich powstawania i rozpadu. UKRI
Pomogły również techniki uczenia maszynowego. Badacze wykorzystali je do oddzielenia poszukiwanego sygnału od znacznie liczniejszych zdarzeń, które mogą go przypominać.
Najnowsza analiza łączy dane zebrane w latach 2024–2025 z wcześniejszymi pomiarami z lat 2011–2018.
Co oznacza wynik 3,2 sigma?
Po połączeniu zbiorów danych istotność sygnału osiągnęła 3,2 odchylenia standardowego, czyli 3,2 sigma. W fizyce cząstek taki poziom uzasadnia mówienie o dowodach na występowanie procesu. Przyjęty próg ogłoszenia odkrycia jest jednak wyższy i wynosi 5 sigma. CERN
Ta miara opisuje, jak trudno byłoby uzyskać podobny sygnał wskutek statystycznego wahania samego tła, przy założeniach przyjętych w analizie. Nie jest prostym procentowym określeniem prawdopodobieństwa, że wynik jest błędny.
Co równie ważne, 3,2 sigma dotyczy obecności poszukiwanego rozpadu. Nie oznacza wykrycia odstępstwa od Modelu Standardowego.
Dlaczego tak rzadki proces ma znaczenie?
Model Standardowy przewiduje zarówno możliwość tego rozpadu, jak i jego częstość. Gdyby pomiary wyraźnie odbiegały od obliczeń, mogłoby to wskazywać na wpływ nieznanych cząstek lub oddziaływań.
Takie poszukiwania są pośrednie. Nowa cząstka nie musi zostać bezpośrednio wytworzona w zderzaczu, aby oddziaływać na procesy kwantowe i zmieniać prawdopodobieństwo określonego rozpadu.
W ramach tej samej pracy fizycy dokładniej zmierzyli także właściwości pokrewnego rozpadu mezonu B_s na mion i antymion. Wszystkie przedstawione wyniki pozostają zgodne z Modelem Standardowym. Zawężają więc możliwości dla nowych teorii, zamiast potwierdzać istnienie nieznanej fizyki. lhcb-outreach.web.cern.ch
Ma to znaczenie, ponieważ obecna teoria nie wyjaśnia między innymi natury ciemnej materii ani przewagi materii nad antymaterią we Wszechświecie.
Kolejne dane mogą rozstrzygnąć sprawę
Badacze opisują te poszukiwania jako zaglądanie do „zeptowersum” — świata odległości rzędu zeptometra, czyli 10⁻²¹ metra. To obrazowe określenie niezwykle małych skal, których właściwości można badać poprzez precyzyjne pomiary cząstek.
Teraz najważniejsze będzie zgromadzenie większej liczby zdarzeń. Planowana na połowę lat 30. XXI wieku kolejna modernizacja LHCb mogłaby zwiększyć tempo zbierania danych nawet dziesięciokrotnie. CERN
Rzadki rozpad mezonu B staje się dzięki temu coraz dokładniejszym sprawdzianem teorii. Dalsze pomiary pokażą, czy jego częstość nadal będzie odpowiadać przewidywaniom, czy ujawni różnicę wymagającą nowego wyjaśnienia.
Wstępną wersję artykułu badawczego można znaleźć na stronie arXiv .