Τα βαρυόνια, σύνθετα σωματίδια αποτελούμενα από τρία κουάρκ δεμένα μέσω της ισχυρής αλληλεπίδρασης, αποτελούν την πιο ορατή μορφή ύλης και έχουν αποτελέσει αντικείμενο πολλών φυσικών μελετών. Η μελέτη των σπάνιων διαδικασιών μέσω των οποίων ασταθή βαρυόνια διασπώνται σε άλλα σωματίδια μπορεί να συμβάλει στην ανακάλυψη νέας φυσικής που δεν εξηγείται από το Πρότυπο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής.
Το πείραμα LHCb και η αναζήτηση νέας φυσικής
Το πείραμα LHCb είναι μια μεγάλη διεθνής προσπάθεια επιστημόνων από πανεπιστήμια σε όλο τον κόσμο, με στόχο τη μελέτη της φυσικής σωματιδίων που περιέχουν τα λεγόμενα b-κουάρκ και την αναζήτηση νέας φυσικής πέρα από το Πρότυπο Μοντέλο, χρησιμοποιώντας έναν εξειδικευμένο ανιχνευτή στο CERN. Σε ένα πρόσφατο άρθρο στο Physical Review Letters, η συνεργασία LHCb ανέφερε την παρατήρηση μιας εξαιρετικά σπάνιας διαδικασίας κατά την οποία ένα βαρυόνιο sigma-plus (Σ⁺) διασπάται σε ένα πρωτόνιο και δύο μιόνια με αντίθετα φορτία.
Η εμπειρία του Fermilab και η υποψία νέου σωματιδίου
«Η έμπνευση για τη μελέτη μας ήρθε αρχικά από το πείραμα HyperCP στο Fermilab, που είχε δείξει στοιχεία για αυτή τη διάσπαση με τρεις παρατηρήσεις το 2005», δήλωσε ο Francesco Dettori, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιάρι και μέλος της συνεργασίας LHCb.
«Το ενδιαφέρον στη μέτρηση τους ήταν ότι τα δύο μιόνια των τριών υποψηφίων είχαν την ίδια συνδυασμένη μάζα, αντί για μια κατανομή όπως αναμενόταν. Αυτό θα υποδείκνυε την παρουσία ενός ενδιάμεσου σωματιδίου που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ και εκτός του τρέχοντος μοντέλου φυσικής».
Τα πλεονεκτήματα του LHCb στην παρατήρηση σπάνιων διασπάσεων
Τα αποτελέσματα που συλλέχθηκαν πριν 20 χρόνια στο Fermilab προσέλκυσαν το ενδιαφέρον πολλών φυσικών σωματιδίων παγκοσμίως. Άλλα πειράματα που επικεντρώθηκαν σε ζεύγη μιονίων δεν μπόρεσαν να παρατηρήσουν αυτή την εξαιρετικά σπάνια διάσπαση, αλλά λόγω της εμβέλειας και της κλίμακας του, το πείραμα LHCb διέθετε όλα τα εργαλεία για να την αναζητήσει.
«Αναλύσαμε δεδομένα που συλλέχθηκαν από το 2016 έως το 2018 σε συγκρούσεις πρωτονίων στο Large Hadron Collider», είπε ο Gabriele Martelli, ερευνητής στο INFN, Παρτίδα Περούτζια.
«Το βαρυόνιο Σ είναι λίγο βαρύτερο από το πρωτόνιο, οπότε σε αυτές τις συγκρούσεις υψηλής ενέργειας, σχεδόν κάθε σύγκρουση παράγει ένα τέτοιο σωματίδιο. Εκτιμήσαμε ότι κατά την περίοδο αυτή παράχθηκαν 10¹⁴ (εκατό τρισεκατομμύρια) βαρυόνια Σ».
Ανίχνευση και τεχνικές μηχανικής μάθησης
Η πολύ σπάνια διάσπαση που αναζητούσε η ομάδα έχει χαρακτηριστική υπογραφή που διαφέρει από άλλες διασπάσεις, καθώς το βαρυόνιο Σ έχει σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής.
«Τα δύο μιόνια και το πρωτόνιο, ως φορτισμένα σωματίδια, ανιχνεύονται και ταυτοποιούνται μέσω διαφορετικών σταδίων αναγνώρισης σωματιδίων», δήλωσε ο Martelli.
«Η υπογραφή είναι εύκολη στην ανακατασκευή, αλλά πρέπει να αντιμετωπίσουμε μεγάλο αριθμό τυχαίων συνδυασμών που μπορούν να μιμηθούν αυτή τη διάσπαση, και χρησιμοποιήσαμε μεθόδους μηχανικής μάθησης για να τους απορρίψουμε».
Αποτελέσματα και προοπτικές για νέα φυσική
Τελικά, οι ερευνητές μπόρεσαν να παρατηρήσουν τη διάσπαση Σ⁺→p𝜇⁺𝜇⁻, τη σπανιότερη όλων των μελετημένων βαρυονικών διασπάσεων μέχρι σήμερα.
«Η παρατήρηση εκατοντάδων τέτοιων διασπάσεων μας έδωσε τη δυνατότητα να μετρήσουμε με ακρίβεια την πιθανότητά τους και άλλα χαρακτηριστικά και να τα συγκρίνουμε με τις προβλέψεις του Προτύπου Μοντέλου», δήλωσε ο Dettori.
«Ιστορικά, οι σπάνιες διασπάσεις υπήρξαν το πεδίο όπου ανακαλύφθηκαν σωματίδια μέσω των κβαντικών τους επιδράσεων πολύ πριν τα επιταχυντικά είχαν ενέργεια να τα παράγουν απευθείας».
Μελλοντικά βήματα και CP συμμετρία
Το πείραμα LHCb έχει ήδη βοηθήσει στην κατανόηση διαφόρων φαινομένων της φυσικής σωματιδίων που εξηγούνται από το Πρότυπο Μοντέλο. Καθώς η ακρίβεια και η ευαισθησία του ανιχνευτή βελτιώνονται, οι ερευνητές θα μπορούν να εξετάζουν ολοένα και σπανιότερες διασπάσεις, οδηγώντας πιθανώς στην παρατήρηση νέων σωματιδίων και φυσικών αλληλεπιδράσεων.
«Με τα δεδομένα που συλλέγονται από το 2023 και μετά με τον αναβαθμισμένο ανιχνευτή LHCb, θα μπορούμε να μετρήσουμε χιλιάδες από αυτές τις διασπάσεις και να εξετάσουμε όχι μόνο την πιθανότητά τους αλλά και άλλα χαρακτηριστικά», πρόσθεσε ο Martelli.
«Το επόμενο χαρακτηριστικό που θέλουμε να μελετήσουμε είναι η διαφορά μεταξύ ύλης και αντιύλης (γνωστή ως παραβίαση συμμετρίας φορτίου-παραδοξότητας, CP) σε αυτή τη διάσπαση, συγκρίνοντας τις διασπάσεις Σ με τις αντι-Σ. Η μέτρηση αυτής της συμμετρίας CP σε πολλές διασπάσεις είναι θεμελιώδης για να βρούμε ενδείξεις για την ανισορροπία ύλης/αντιύλης στο σύμπαν».
Περισσότερες πληροφορίες: R. Aaij et al, Παρατήρηση της Πολύ Σπάνιας Διάσπασης Σ + →pμ + μ − , Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/r3v2-kmmp .
Πληροφορίες περιοδικού: Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης