پس از ۴۰ سال، سرن شواهدی از واپاشی ذره‌ای با احتمال یک در ده میلیارد یافت

پس از بیش از ۴۰ سال جستجو، فیزیکدانان سرن به نقطه عطفی مهم در پیگیری یکی از نادرترین واپاشی‌های ذره‌ای شناخته‌شده دست یافته‌اند. پژوهشگران فعال در آزمایش LHCb شواهدی از فرآیندی را شناسایی کرده‌اند که انتظار می‌رود تنها حدود یک بار در هر ۱۰ میلیارد واپاشی ذرات زیبایی (beauty particles) رخ دهد.

این یافته که در جریان سمیناری در سرن اعلام شد، نخستین باری است که یک آزمایش منفرد شواهد کافی برای این رویداد فوق‌العاده نادر تولید کرده است. علاوه بر نادر بودن، این واپاشی به دلیل کمک به دانشمندان برای بررسی ذراتی که جرم آن‌ها برای ایجاد مستقیم در برخورددهنده بزرگ هادرونی (Large Hadron Collider) بیش از حد زیاد است، ارزشمند است.

در مرکز این کشف، ذره‌ای به نام B_d قرار دارد که شامل یک کوارک زیبایی (beauty quark) و یک پادکوارک پایین (down antiquark) است. دانشمندان شواهدی یافتند که این ذره می‌تواند به جفتی از میون‌ها (μ⁺μ^-) واپاشی کند. میون‌ها مشابه الکترون‌ها هستند اما جرم بیشتری دارند. نتایج با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد، نظریه اصلی توصیف ذرات بنیادی و برهمکنش‌های آن‌ها، همخوانی دارد و احتمالات وجود ذرات جدید فراتر از آن را محدود می‌کند.

یکی از دلایل علاقه شدید فیزیکدانان به این واپاشی‌های غیرمعمول این است که اثرات کوانتومی اجازه می‌دهند سایر ذرات بر نحوه وقوع آن‌ها تأثیر بگذارند. حتی ذراتی که برای تولید در برخورددهنده بزرگ هادرونی بیش از حد سنگین هستند، می‌توانند ردپاهای ظریفی در نرخ این فرآیندها بر جای گذارند.

با اندازه‌گیری واپاشی‌های بسیار نادر با دقت بالا، پژوهشگران می‌توانند تفاوت‌های بین نتایج تجربی و پیش‌بینی‌های نظری را بررسی کنند. چنین ناهمخوانی‌هایی می‌توانند شواهد غیرمستندی از ذرات ناشناخته قبلی ارائه دهند. به طور کلی، هرچه واپاشی نادرتر باشد، نسبت به این تأثیرات پنهان حساس‌تر خواهد بود.

واپاشی معروف به B_d → μ⁺μ^- متعلق به دسته خاصی است که فیزیکدانان مدت‌ها آن را «کانال‌های طلایی» برای بررسی فیزیک فراتر از مدل استاندارد می‌دانستند. در طی این فرآیند، یک کوارک زیبایی و یک پادکوارک با بار الکتریکی مخالف یکدیگر را نابود می‌کنند. انرژی آن‌ها به یک میون و پادذره آن تبدیل می‌شود.

دانشمندان پیش‌تر فرآیند مرتبطی را شامل ذره زیبایی دیگری به نام B_s مشاهده کرده بودند. در سال ۲۰۱۵، یک تحلیل مشترک توسط همکاری‌های LHCb و CMS نخستین مشاهده تأییدشده B_s → μ⁺μ^- را گزارش کرد، همراه با شواهد اولیه برای واپاشی بسیار نادرتر B_d.

با این حال، تحلیل‌های بعدی که داده‌های جمع‌آوری‌شده تا سال ۲۰۱۸ را شامل می‌شدند، نتوانستند شواهد قبلی برای B_d → μ⁺μ^- را تأیید کنند. تفاوت در میزان نادر بودن قابل توجه است. واپاشی B_s تقریباً سه بار در هر میلیارد واپاشی ذرات زیبایی رخ می‌دهد، در حالی که فرآیند B_d پیش‌بینی می‌شود حدود ۳۰ بار کمتر اتفاق افتد.

بهبود چشمگیر در آزمایش LHCb به پژوهشگران کمک کرد تا دشواری عظیم شناسایی چنین رویداد نادری را غلبه کنند.

پس از یک ارتقاء اساسی، این آزمایش در سال ۲۰۲۴ شروع به جمع‌آوری داده‌ها با پنج برابر نرخ حاصل شده بین سال‌های ۲۰۱۰ و ۲۰۱۸ کرد. آشکارساز ارتقاء یافته همچنین در شناسایی انواع مختلف ذرات بهتر عمل کرد و تصویری واضح‌تر از فعالیت‌های تولید شده در حین برخوردها به پژوهشگران ارائه داد.

تیم تحقیقاتی این بهبودها را با تکنیک‌های یادگیری ماشین ترکیب کرد تا سیگنال‌های فوق‌العاده نادر را از تعداد زیادی فرآیندهای دیگر ذره‌ای تمایز دهد. بدون این پیشرفت‌ها، رویدادهایی که دانشمندان می‌خواستند مطالعه کنند، در پس‌زمینه غرق می‌شدند.

«مارکو سانتیماریا، که تیم تحلیلی بین‌المللی متشکل از ۱۹ دانشمند را به صورت مشترک رهبری می‌کرد، اظهار داشت: "فیزیکدانان بیش از چهل سال است که این واپاشی را دنبال می‌کنند. برای جدا کردن میون‌ها از پس‌زمینه غالب، به دقت افراطی نیاز است."»

در فیزیک ذرات، دانشمندان از معیار آماری به نام انحراف معیار (standard deviation) برای ارزیابی احتمال اینکه یک سیگنال ظاهری ناشی از نوسانات تصادفی باشد نه یک فرآیند فیزیکی واقعی، استفاده می‌کنند.

یک نتیجه باید به سه انحراف معیار برسد تا واجد شرایط بودن به عنوان شواهد یک پدیده جدید را داشته باشد. در این سطح، احتمال اینکه نوسانات تصادفی سیگنالی حداقل به همان اندازه از نظر آماری افراطی تولید کنند، تقریباً ۰.۳ درصد است.

با استفاده از داده‌های جمع‌آوری شده در سال‌های ۲۰۲۴ و ۲۰۲۵، پژوهشگران LHCb شواهدی از B_d → μ⁺μ^- با اهمیت آماری ۳.۰ انحراف معیار شناسایی کردند. وقتی آن‌ها این اندازه‌گیری‌ها را با داده‌های قبلی جمع‌آوری شده بین سال‌های ۲۰۱۱ و ۲۰۱۸ ترکیب کردند، اهمیت آماری به ۳.۲ انحراف معیار افزایش یافت که از آستانه پذیرفته شده به طور گسترده برای شواهد فراتر رفت.

همین تحقیق همچنین دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌های به دست آمده تاکنون را برای واپاشی مرتبط B_s → μ⁺μ^- ارائه داد و اطلاعات اضافی درباره این فرآیندهای فوق‌العاده غیرمعمول فراهم کرد.

اگرچه یافته‌های جدید نشان‌دهنده یک موفقیت بزرگ هستند، فیزیکدانان هنوز به آستانه لازم برای اعلام یک مشاهده تأییدشده نرسیده‌اند. این نقطه عطف نیازمند اهمیت آماری پنج انحراف معیار است.

اگر اندازه‌گیری‌های آینده به آن سطح از قطعیت برسند، B_d → μ⁺μ^- نادرترین واپاشی ذره زیبایی مشاهده شده تاکنون خواهد شد.

پژوهشگران انتظار دارند بهبودهای آتی برخورددهنده بزرگ هادرونی این اندازه‌گیری‌ها را حتی قدرتمندتر کند.

LHC پرنوریت بالا (High Luminosity LHC)، که به نام HiLumi LHC نیز شناخته می‌شود، برنامه‌ریزی شده است که در سال ۲۰۳۰ به بهره‌برداری برسد. ارتقاء عمده دیگری برای آزمایش LHCb در اواسط دهه بعدی برنامه‌ریزی شده است. این توسعه‌ها با هم می‌توانند در نهایت نرخ جمع‌آوری داده‌های آزمایش را با ضریب ده برابر دیگر افزایش دهند.

جمع‌آوری مجموعه داده‌های بسیار بزرگ‌تر به فیزیکدانان اجازه می‌دهد تعداد بیشتری از این واپاشی‌های بسیار نادر را شناسایی کنند و خواص آن‌ها را با دقت بیشتری اندازه بگیرند. این افزایش حساسیت می‌تواند امکان شناسایی اثرات ظریف مرتبط با ذراتی را فراهم کند که همچنان خارج از دسترسی مستقیم شتاب‌دهنده‌های موجود هستند.

«هاری کلیف، هماهنگ‌کننده واپاشی‌های نادر LHCb و هم‌رهبر تحلیل، توضیح داد: "دیدن شواهد این واپاشی نادر هیجان‌انگیز است و امکانات جدیدی برای کاوش فراتر از دسترسی مستقیم LHC باز می‌کند."

"ارتقاء آینده LHCb به ما اجازه خواهد داد تعداد بیشتری از این واپاشی‌ها را مشاهده کنیم و حساسیت بیشتری نسبت به ذرات کشف نشده ارائه دهد."

برای فیزیکدانانی که بیش از چهار دهه این سیگنال گریزان را دنبال کرده‌اند، شواهد جدید نماینده پیشرفتی مورد انتظار طولانی است. این یافته همچنین راهی امیدوارکننده برای بررسی اینکه آیا قوانین شناخته شده فیزیک ذرات بخشی از تصویر بزرگ‌تری هستند یا خیر، ارائه می‌دهد.