Nakakita ang LHCb ng Ebidensiya ng Bihirang Pagkabulok ng B Meson Matapos ang 42 Taong Paghahanap

Panandaliang senyas sa bilyun-bilyong pagkabulok ng particle

Inihayag ang resulta sa anunsyo noong Nobyembre 3 ng kolaborasyon ng LHCb noong 2026. Pinausad nito ang paghahanap na nagsimula noong 1984. Isinusulat ang pagkabulok na ito bilang B0 → μ+μ−, at tinatawag din na Bd → μ+μ−. Nagiging muon at antiparticle nito ang isang particle na may bottom quark o antiquark.

Tinatayang isang ganitong pagkabulok lamang sa bawat 10 bilyong pagkabulok ng B0 meson ang hinuhulaan ng Standard Model, ang teoryang naglalarawan sa mga kilalang elementary particle at sa mga interaksiyon ng mga ito. Dahil napakabihira ng prosesong ito, kapaki-pakinabang ito sa pananaliksik: maaaring baguhin ng isang hindi pa natutuklasang particle ang posibilidad na mangyari ito nang sapat upang mapansin ng isang tumpak na eksperimento.

Iniulat din ng LHCb ang pinakatumpak nitong mga sukat sa posibilidad at epektibong buhay ng kaugnay na pagkabulok na Bs0 → μ+μ−. Tugma sa Standard Model ang mga resulta para sa dalawang proseso. Magkasama, nagbibigay ang mga ito sa mga mananaliksik ng mas matalas na paraan upang subukan ang mga teoryang nagmumungkahi ng mga particle bukod sa mga kilala na.

Ano nga ba ang naglalaho?

Maiikli ang buhay ng mga B meson; binubuo ang mga ito ng quark at antiquark. Magkabilang miyembro ng iisang pamilya ang B0 at Bs0, ngunit magkaiba ang mas magagaan na sangkap na quark ng mga ito: sangkot sa isa ang down type, at sa isa naman ang strange type. Dahil magkaiba ang komposisyon ng mga ito, nagkakaiba rin kung gaano kadalas silang makalilikha ng pares ng muon.

Ang muon ay elementary particle na kahawig ng electron ngunit mas mabigat. Magkasalungat ang kargang elektriko ng dalawang muon sa mga pagkabulok na ito. Hinahanap ng mga mananaliksik ang mga bakas ng mga ito at ginagamit ang mga nasukat na katangian upang buuing muli ang masa ng particle na lumikha sa mga ito.

Hinuhulaan ng Standard Model na mangyayari ang pagkabulok ng Bs0 nang humigit-kumulang tatlong beses sa bawat isang bilyong pagkabulok, o mga 30 beses na mas madalas kaysa sa proseso ng B0. Inilalarawan ng mga probabilidad na ito, na tinatawag na branching fraction, ang bahagdan ng isang partikular na uri ng meson na dumaraan sa isang takdang landas ng pagkabulok. Karamihan sa mga B meson ay naglalaho sa iba pang mga paraan, kaya natatabunan ang hinahanap na senyas ng mas napakaraming particle.

Bakit ito maituturing na ebidensiya

Nakatuklas ang LHCb ng kabuluhang tatlong standard deviation gamit lamang ang sampol mula 2024 at 2025. Nang idagdag ang datos mula sa Run 1 at Run 2, ang mga naunang panahon ng operasyon ng Large Hadron Collider, umakyat ito sa 3.2.

Sinusukat ng estadistikal na kabuluhan kung gaano kalakas na sinusuportahan ng datos ang isang senyas kumpara sa paliwanag na background lamang ang sanhi nito. Habang mas mataas ang bilang, mas maliit ang posibilidad na makalikha ang pabagu-bagong background ng resultang kasing-kapansin-pansin o higit pa rito. Karaniwang ginagamit ng mga particle physicist ang tatlong standard deviation bilang hangganan para sa ebidensiya at lima para sa isang obserbasyon.

Sadyang tiyak ang paglalarawan ng kolaborasyon: ito ang unang ebidensiya mula sa iisang eksperimento para sa B0 → μ+μ−. Nag-ulat na ng ebidensiya noong 2015 ang pinagsamang pagsusuri ng LHCb at CMS, ngunit hindi kinumpirma ng mga sumunod na pagsusuri ang naunang palatandaang iyon.

Muli nitong nailampas sa hangganan ng ebidensiya ang paghahanap sa pamamagitan ng bagong datos. Ang susunod na estadistikal na layunin ay limang standard deviation. Walang ibinigay na petsa ang LHCb kung kailan ito maaabot.

Paghahanap mula 1984 hanggang 2026

Ilang salinlahi na ng mga eksperimento ang pinagdaanan ng paghahanap ng mga mananaliksik sa mga bihirang pagkabulok na ito. Unang umabot sa hangganan ng obserbasyon ang mas madalas na proseso ng Bs0, at nagbigay ito ng saligan para sa mas mahirap na paghahanap sa B0.

• 1984: Nagsimula ang paghahanap sa B0 → μ+μ−.
• Nobyembre 2012: Nag-ulat ang LHCb ng ebidensiya para sa Bs0 → μ+μ− na may 3.5 standard deviation.
• Mayo 2015: Naobserbahan ng pinagsamang pagsusuri ng LHCb at CMS ang pagkabulok ng Bs0 sa 6.2 standard deviation at iniulat ang paunang palatandaan ng pagkabulok ng B0.
• Pebrero 2017: Naobserbahan mismo ng LHCb ang pagkabulok ng Bs0 sa 7.8 standard deviation.
• Hindi kinumpirma ng mga sumunod na pagsusuri gamit ang datos na nakolekta hanggang 2018 ang naunang palatandaan ng B0.
• 2024 at 2025: Nakolekta ng LHCb ang bagong datos na ginamit sa pinakabagong pagsusuri.
• Nobyembre 3, 2026: Inihayag ng LHCb ang ebidensiya para sa pagkabulok ng B0 na may tatlong standard deviation sa bagong sampol, at 3.2 kapag pinagsama sa mga naunang run.

Ipinapaliwanag ng kasaysayang ito kung bakit maingat na pinag-iiba ng mga mananaliksik ang ebidensiya at obserbasyon. Nangangailangan ng karagdagang datos ang isang nangangakong senyas, at maaari itong patatagin ng mga susunod na sukat o ibaba sa tinatanggap na hangganan.

Paano nakikita ng detector ang mga pares ng muon

Nangongolekta ng datos ang pinahusay na detector ng LHCb sa bilis na humigit-kumulang limang beses ng naabot noong 2010–2018. Mahalaga ang pagtatala ng mas maraming magagamit na banggaan para sa prosesong inaasahang mangyari lamang minsan sa bawat 10 bilyong pagkabulok ng B0.

Tumutulong ang Vertex Locator, na kilala bilang VELO, na matukoy kung saan nalikha at kung saan nagkabulok ang mga particle. Binuo ng University of Liverpool ang detector, na gumagana limang milimetro lamang mula sa sinag ng LHC. Dahil sa tumpak nitong pagsubaybay, natutukoy ng mga mananaliksik ang mga lugar ng pagkabulok ng mga particle na nabubuhay lamang nang napakaikling bahagi ng isang segundo.

Tumutulong ang machine learning na ihiwalay ang mga nangangakong pares ng muon mula sa background, o sa maraming iba pang prosesong lumilikha ng magkakatulad na bakas o kombinasyon ng mga particle. Pagkatapos, sinusuri ng mga mananaliksik ang invariant mass ng bawat pares. Kinakalkula ang sukat na ito mula sa enerhiya at momentum ng mga muon at maaari itong magpahiwatig ng masa ng particle na pinagmulan ng mga ito.

Makikita sa distribusyon ng masa ang ambag mula sa mga pagkabulok ng Bs0 at ang mas maliit na ambag sa mas mababang masa ng B0. Pinagkakasyahin ng LHCb ang mga senyas na ito kasama ng background upang matantiya kung ilang pagkabulok ng bawat uri ang naroon.

Nagbibigay ng kapaki-pakinabang na bentahe ang paglikha ng B0. Ayon sa LHCb, lumilikha ang collider ng humigit-kumulang apat na B0 meson sa bawat Bs0 meson. Bagaman mga 30 beses na mas maliit ang posibilidad na mabulok ang isang B0 tungo sa dalawang muon, pinaliliit ng mas marami nitong bilang ang inaasahang agwat sa dami ng mga pangyayari hanggang humigit-kumulang pitong beses. Nakakatulong ang paghahambing na ito na ipaliwanag kung paano nagiging maaabot ang mas bihirang proseso kapag sapat ang laki ng nakalap na datos.

Ano ang ipinahihiwatig ng resulta tungkol sa mga di-kilalang particle

Nagbibigay ang Standard Model ng mga tumpak na prediksiyon para sa posibilidad ng dalawang pagkabulok. Maaaring baguhin ng mga teoryang nagpapalawak dito ang mga prediksiyong iyon sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga particle na nakaaapekto sa proseso ng pagkabulok, kahit hindi direktang nalilikha ang mga ito bilang nakikitang bagay sa detector.

Kabilang sa mga halimbawang binanggit ng LHCb ang mga karagdagang Higgs boson, Z′ vector boson at leptoquark. Mga iminungkahing particle ang mga ito sa iba't ibang pagpapalawak ng teorya. Dahil sa posibleng impluwensiya ng mga ito, nagiging paraan ang mga bihirang pagkabulok upang di-tuwirang maghanap ng pisikang nasa mga enerhiyang lampas sa direktang naaabot ng isang partikular na eksperimento ng banggaan.

Ganito inilarawan ng kolaborasyon ng LHCb, na nagpapatakbo ng eksperimento at nagsagawa ng pagsusuri, ang pinakabagong mga sukat:

Ang mga resultang inihayag ngayong araw, na sang-ayon sa SM, ay higit pang nagtatakda nang mas tumpak sa saklaw ng mga parameter kung saan maaaring umiral ang mga bagong modelong ito

Sa praktika, pinakikitid nito ang mga kombinasyon ng iminungkahing masa ng particle at lakas ng interaksiyon na tugma pa rin sa eksperimento. Sa pinagsamang pagsusuri ng LHCb sa dalawang branching fraction, nasa loob ng 68.27% confidence region ang prediksiyon ng Standard Model. Saklaw ito na nagpapahayag ng kawalang-katiyakan ng sukat.

Bakit isa pang pagsubok ang pagsukat sa buhay

Sinukat din ng LHCb ang epektibong buhay ng mga Bs0 meson na nagkakabulok tungo sa mga pares ng muon. Sa pagsasama ng datos mula Run 1, Run 2 at Run 3, nakakuha ito ng 1.60 ± 0.16 ± 0.01 picosecond, na sang-ayon sa prediksiyon ng Standard Model.

Ang isang picosecond ay isang trilyon ng isang segundo. Inilalarawan ng unang kawalang-katiyakan ang mga estadistikal na limitasyon ng sukat; saklaw naman ng ikalawa ang mga sistematikong epekto kaugnay ng paraan ng pagsukat. Mas malaki ang estadistikal na kawalang-katiyakan, na nagpapakita kung bakit mahalaga ang karagdagang datos.

Inilalarawan ng epektibong buhay ang tiyempo ng pagkabulok sa piniling sampol ng Bs0. Maaaring halos hindi baguhin ng ilang iminungkahing pagpapalawak ng Standard Model ang kabuuang posibilidad na makalikha ng dalawang muon, ngunit baguhin naman kung paano nakapamahagi sa paglipas ng panahon ang mga pagkabulok na iyon. Kaya mas maraming posibilidad ang nasusubok sa pagsukat kapwa sa dalas at tiyempo kaysa sa pagbibilang lamang ng mga pagkabulok.

Nagbibigay ng isa pang paghahambing ang ratio ng mga branching fraction ng B0 at Bs0. Kailangang maipaliwanag ng isang iminungkahing teorya ang ugnayan ng dalawang proseso, gayundin ang kani-kanilang bilis. Pinagsasama ng pinakabagong mga resulta ng LHCb ang magkakahiwalay na pagsusuring ito sa iisang pagsusuri.

Ang susunod na hakbang sa pinakamaliliit na antas

Isinumite ng LHCb ang mga bagong resulta para mailathala at inilahad ang mga ito sa isang seminar sa CERN na nagbukas sa isang workshop ng kolaborasyon kasama ang mga teoretikal na pisiko. Ang agarang tungkulin ng eksperimento ay mangolekta ng sapat pang ebidensiya upang mailapit ang senyas ng B0 sa hangganan ng obserbasyon at masukat nang mas tumpak ang posibilidad nito.

Maaaring pataasin ng isa pang pagpapahusay sa LHCb sa kalagitnaan ng susunod na dekada ang bilis ng pangongolekta ng datos nang isa pang order of magnitude, o mga sampung beses, ayon sa kolaborasyon. Magbibigay ito ng suporta sa mas mahihigpit na pagsubok gamit ang dalawang bihirang pagkabulok.

Tumutukoy ang salitang Zeptoverse sa napakaliit na mga distansiyang inaasahan ng mga mananaliksik na masiyasat sa pamamagitan ng gayong mga tumpak na sukat. Ang isang zeptometre ay isang libong bahagi ng isang bilyon ng isang bilyon ng isang metro. Nagbibigay ang mga bihirang pagkabulok ng di-tuwirang paraan upang siyasatin ang mga epektong kaugnay ng napakaliit na distansiya at matataas na enerhiya.

Nananatiling mas malawak na mga dahilan sa paghahanap ng pisikang lampas sa Standard Model ang dark matter at ang pinagmulan ng labis na dami ng matter kumpara sa antimatter sa uniberso. Mas makitid at kongkreto ang natuklasang inihayag dito: umabot na sa hangganan ng ebidensiya ang isang bihirang pagkabulok na hinuhulaan ng kasalukuyang teorya, at nagbibigay naman ang nasukat nitong kilos sa mga mananaliksik ng mas mahihigpit na limitasyon sa mga iminungkahing alternatibo.

Mahahalagang Punto

• Iniulat ng LHCb ang unang ebidensiya mula sa iisang eksperimento para sa B0 → μ+μ−, kasunod ng paghahanap na nagsimula noong 1984.
• Umaabot sa tatlong standard deviation ang datos mula 2024 at 2025; kapag pinagsama ang mga naunang run, tumataas sa 3.2 ang kabuluhan.
• Hinuhulaan ng Standard Model ang humigit-kumulang isang ganitong pagkabulok sa bawat 10 bilyong pagkabulok ng B0.
• Tugma sa Standard Model ang mga bagong sukat ng pagkabulok at pinakikitid ng mga ito ang mga pinapahintulutang posibilidad para sa mga karagdagang particle.
• Sinukat ng LHCb ang epektibong buhay ng kaugnay na pagkabulok ng Bs0 na 1.60 ± 0.16 ± 0.01 picosecond.
• Limang standard deviation pa rin ang layunin upang masabing naobserbahan ang pagkabulok ng B0.