شواهد واپاشی نادر ذره با بهترین نظریه فیزیک همخوانی دارد و راهی نوین برای دانشمندان فراهم می‌کند تا بررسی کنند آیا درک ما از ماده نقصی دارد یا خیر.
پس از بیش از ۴۰ سال جستجو، فیزیکدانان نخستین شواهد از واپاشی ذره‌ای را یافتند که پیش‌بینی می‌شد تنها حدود یک بار در هر ۱۰ میلیارد ذره زیبا رخ دهد. این سیگنال که توسط آزمایش ارتقایافته LHCb در برخورددهنده بزرگ هادرون (LHC) در CERN ثبت شده است، راهی برای جستجوی ذرات کشف‌نشده از طریق تأثیری که ممکن است بر آن رویداد بسیار بعید داشته باشند، فراهم می‌کند.
در داخل پروتون‌ها و نوترون‌های مرکز اتم، اجزای سازنده کوچک‌تری به نام کوارک‌های بالا و پایین وجود دارند. کوارک‌های زیبا اعضای سنگین‌تر همین خانواده هستند که هنگام برخورد ذرات در LHC به تعداد زیاد تولید می‌شوند و تنها حدود یک و نیم تریلیون‌ام ثانیه قبل از واپاشی دوام می‌آورند. آزمایش LHCb ذرات حاوی این کوارک‌های کوتاه‌عمر را مطالعه می‌کند. در واپاشی مورد نظر در این نتایج جدید، که Bd to mu mu نامیده می‌شود، یکی از این ذرات به دو میون تبدیل می‌شود؛ ذراتی مشابه الکترون اما سنگین‌تر.
با معناداری آماری ۳.۲ سیگما، این سیگنال به اندازه کافی قوی است تا به عنوان شواهدی از واپاشی تلقی شود، هرچند برای رسیدن به آستانه پنج سیگما که برای اعلام یک کشف در فیزیک ذرات لازم است، به داده‌های بیشتری نیاز خواهد بود.
پروفسور کریس پارکس، رئیس گروه فیزیک و نجوم دانشگاه منچستر، اظهار داشت: «این واپاشی به طرز شگفت‌انگیزی بعید است؛ احتمال وقوع آن تقریباً مانند این است که به یک قرار عاشقانه بروید و در اولین تلاش، جفت ایده‌آل خود را میان تمام مردم زمین پیدا کنید.»
واپاشی‌های نادر می‌توانند ذرات پنهان را آشکار کنند
یک ذره کشف‌نشده می‌تواند احتمال واپاشی یک ذره زیبا به شیوه خاصی را تغییر دهد و به فیزیکدانان ابزاری بدهد تا حتی اگر نمی‌توانند آن را مستقیماً در LHC مشاهده کنند، تأثیرش را تشخیص دهند. هرچه یک واپاشی نادرتر باشد، حساسیت آن به چنین اثراتی بیشتر است. بنابراین، پژوهشگران می‌توانند به دنبال اختلافات بین نرخ واپاشی اندازه‌گیری‌شده و پیش‌بینی‌های مدل استاندارد، یعنی بهترین نظریه فعلی آنها درباره ذرات بنیادی و تعاملاتشان، بگردند. اندازه‌گیری جدید با آن پیش‌بینی‌ها مطابقت دارد و دقت بیشتر می‌تواند کمک کند تا مشخص شود نظریه ممکن است در نهایت کجا شروع به فروپاشی کند.
با پیگیری این اندازه‌گیری‌های روزبه‌روز دقیق‌تر، فیزیکدانان امیدوارند آنچه را که «جهان زپتو» (Zeptoverse) می‌نامند کاوش کنند؛ جهانی ناشناخته در فاصله‌های یک زپتومتر، یعنی یک میلیاردمِ یک تریلیون متر، که ممکن است ذرات و نیروهای ناشناخته در آن پنهان باشند.
پروفسور کانور فیتزپاتریک از دانشگاه منچستر، هماهنگ‌کننده فیزیک جایگزین در همکاری بین‌المللی LHCb، گفت: «جستجوی بیش از چهل ساله‌ای توسط فیزیکدانان سراسر جهان برای مشاهده این واپاشی انجام شده است. این یک کانال طلایی برای مشاهده اثرات فیزیک جدید فراتر از دانش فعلی ماست.
«نتایج این آزمایش در حال گسترش درک ما از طبیعت در بنیادی‌ترین سطح آن است. ما هیجان‌زده هستیم که سرانجام این سیگنال گریزپا را دیده‌ایم و مشتاقانه منتظر کشفیات آینده‌ای هستیم که از داده‌های ما حاصل خواهد شد.»
تعیین دقیق محل واپاشی ذرات زیبا
تنها پنج میلی‌متر، یا حدود ۰.۲ اینچ، از پرتوهای LHC، مکان‌یاب رأس (Vertex Locator) قرار دارد؛ یک آشکارساز پیکسل سیلیسی که مسیر ذرات خروجی از برخوردها را با دقت فوق‌العاده ردیابی می‌کند. این قطعه اصلی ساخته‌شده در انگلستان بخشی از آزمایش ارتقایافته LHCb است. پژوهشگران دانشگاه منچستر نقش‌های کلیدی در آزمایش و ارتقای آن ایفا کردند، از جمله توسعه فناوری آشکارساز که امکان‌پذیر کردن این اندازه‌گیری را تسهیل کرد.
دکتر استفانو دِ کاپوآ، که ساخت آشکارسازها را در دانشگاه منچستر رهبری کرد، گفت: «ما با نزدیک به ۹۰ شرکت انگلیسی برای ساخت این آشکارساز کار کردیم و نسل بعدی دانشمندان و مهندسان را در زمینه فناوری‌های نوینی که استفاده می‌کنیم آموزش دادیم. این همان آشکارسازهایی است که ما برای تعیین محل تولید مزون زیبا و نقطه دقیق واپاشی آن به دو میون استفاده می‌کنیم.»
پارکس همکاری بین‌المللی LHCb را در طول ساخت ارتقا هدایت کرد و تصویب نتیجه جدید را رهبری نمود. او که اوایل امسال به دلیل کارش در LHCb عضو انجمن سلطنتی (Fellow of the Royal Society) شد، گفت: «LHCb ارتقایافته یک پروژه عظیم بود؛ یک طرح و ساخت پانزده‌ساله از سوی یک همکاری بین‌المللی با ۱۹۰۰ عضو.
«انگلستان بزرگ‌ترین مشارکت ملی را در این پروژه داشت و با پیشگامی در فناوری‌های نوین، نتیجه امروز را که در آن طبیعت را در مقیاسی جدید کاوش می‌کنیم، ممکن ساخت. اما این تنها آغاز است؛ ما در حال برنامه‌ریزی برای ساخت آزمایشی هستیم که از قابلیت‌های نسل بعدی LHC با نوردهی بالا (High Luminosity LHC) بهره خواهد برد و فیزیک را در مقیاسی حتی کوچک‌تر کاوش خواهد کرد.»
با جمع‌آوری داده‌ها با سرعتی تا پنج برابر نرخ قبلی، انتظار می‌رود آزمایش ارتقایافته تا اوایل دهه ۲۰۳۰ مجموعه داده‌ای بسیار بزرگ‌تر بسازد. یک ارتقای برنامه‌ریزی‌شده دیگر می‌تواند آن نرخ را ده برابر افزایش دهد و امکان اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر این واپاشی‌ها و افزایش حساسیت به ذرات کشف‌نشده در فاصله‌های کوتاه‌تر را فراهم کند.
پروفسور برایان کاکس، فیزیکدان ذرات در دانشگاه منچستر که در این آزمایش نقشی نداشت، گفت: «این یک نتیجه مهم و نمونه زیبایی از نحوه پیشرفت علم است. ما ابزارهایمان را ارتقا می‌دهیم و طبیعت را با جزئیات بیشتر می‌بینیم. گاهی چیزی را می‌بینیم که آن را درک نمی‌کنیم و سپس پیشرفت حاصل می‌شود. ما نمی‌توانیم بدانیم که آیا این پیشرفت تدریجی خواهد بود یا واقعاً جهان‌تغییردهنده؛ این همان علم است! LHCb یک موفقیت بزرگ علمی است.»
این آزمایش توسط شورای تأمین مالی علوم و فناوری (STFC) به عنوان بخشی از پژوهش و نوآوری انگلستان تأمین مالی می‌شود.