Forskere måler sjældne partikelhenfald med høj præcision

Hos CERNs Large Hadron Collider (LHC) giver undersøgelser af sjældne processer forskere mulighed for at udlede tilstedeværelsen af ​​tunge partikler, herunder uopdagede partikler, som ikke kan produceres direkte. Sådanne partikler forventes i vid udstrækning at eksistere ud over standardmodellen og kan hjælpe med at forklare nogle af universets gåder, såsom eksistensen af ​​mørkt stof, masserne af neutrinoer (undvigende partikler, der oprindeligt ansås for at være masseløse) og universets stof- antistof asymmetri.

En sådan proces er det sjældne henfald af neutrale B-mesoner til et myon- og antimuonpar:elektronens tungere fætter parret med dens tilsvarende antipartikel. Der er to typer neutrale B-mesoner:B ⁰ meson består af en skønhedsantikvark og en dunkvark, mens for B_s meson er dunkvarken erstattet af en mærkelig kvark. Hvis der ikke er nye partikler, der påvirker disse sjældne henfald, har forskere forudsagt, at kun én ud af 250 millioner B_s mesoner vil henfalde til et myon-antimuon-par; for B ⁰ meson, processen er endnu mere sjælden, kun én ud af 10 mia.

Forskere har søgt efter eksperimentel bekræftelse af disse henfald siden 1980'erne. Først for nylig, i 2014, var den første observation af B_s til myon-henfald rapporteret i en kombineret analyse af data taget af LHCb- og CMS-samarbejdet, senere bekræftet af ATLAS-, CMS- og LHCb-eksperimenterne individuelt. Men B ⁰ forfald unddrager sig stadig ethvert forsøg på at observere det.

Ved hjælp af data fra kørsel 2 af LHC har CMS-eksperimentet frigivet en ny undersøgelse af henfaldshastigheden og levetiden for B_s meson henfald, samt en søgning efter B ⁰ henfald. Den nye undersøgelse, der blev præsenteret på den internationale konference om højenergifysik (ICHEP), drager fordel af ikke kun en stor mængde analyserede data, men også avancerede maskinlæringsalgoritmer, der fremhæver de sjældne henfaldsbegivenheder fra den overvældende baggrund af begivenheder produceret af millioner af partikelkollisioner pr. sekund.

Resultaterne afslørede et meget klart signal fra B_erne meson henfalder til et myon-antimuon-par. Præcisionen af ​​målingen af ​​henfaldshastigheden overstiger den, der er opnået i tidligere målinger i andre eksperimenter.

Både de observerede B_s henfaldshastigheden, fundet til at være 3,8 ± 0,4 dele i en milliard, og dens levetidsmåling på 1,8 ± 0,2 picosekunder (et picosekund er en trilliontedel af et sekund), er meget tæt på værdierne forudsagt af standardmodellen.

Hvad angår B ⁰ forfald, selvom der ikke blev fundet beviser for det fra disse resultater, kan fysikere med 95 % statistisk sikkerhed fastslå, at dets henfaldshastighed er mindre end 1 del ud af 5 milliarder.

I de senere år er en række anomalier blevet observeret i andre sjældne B-mesonhenfald, med uoverensstemmelser mellem de teoretiske forudsigelser og dataene - hvilket indikerer den potentielle eksistens af nye partikler. Det nye CMS-resultat er meget tættere på teoretiske forudsigelser end disse andre sjældne henfald og kan derfor hjælpe videnskabsmænd med at forstå arten af ​​anomalierne.

Sjældne B-meson-henfald er fortsat af stor interesse for videnskabsmænd. Med B_s meson til myoner henfalder solidt etableret og målt med høj præcision, videnskabsmænd retter nu blikket mod den ultimative pris:B ⁰ henfald. Med store datasæt, der forventes fra LHC Run 3, håber de at få det første glimt af denne ekstremt sjældne proces og lære mere om de forvirrende anomalier. + Udforsk yderligere

Ny LHCb-analyse ser stadig tidligere spændende resultater