پس از 40 سال، سرن شواهدی از تجزیه یک در 10 میلیارد ذره پیدا کرد.
دانشمندان سرن سرانجام شواهدی از تجزیه ذرات به قدری نادر پیدا کردند که در هر 10 میلیارد فروپاشی تنها یک بار اتفاق می افتد و به جستجوی بیش از 40 سال پایان می دهد. این پیشرفت می تواند به فیزیکدانان کمک کند تا ذرات و نیروهای پنهانی را که خارج از دسترس قدرتمندترین شتاب دهنده های امروزی هستند، کشف کنند.
پس از بیش از 40 سال جستجو، فیزیکدانان سرن به یک نقطه عطف بزرگ در شکار یکی از نادرترین تجزیه ذرات شناخته شده دست یافته اند. محققانی که با آزمایش LHCb کار می‌کنند، شواهدی از فرآیندی کشف کرده‌اند که انتظار می‌رود تنها یک بار در تقریبا 10 میلیارد فروپاشی ذرات زیبایی رخ دهد.
این یافته که طی سمیناری در سرن اعلام شد، اولین باری است که یک آزمایش شواهد کافی برای این رویداد فوق‌العاده نادر ارائه می‌دهد. فراتر از نادر بودن، این واپاشی بسیار ارزشمند است زیرا می تواند به دانشمندان کمک کند تا ذراتی را که بیش از آن عظیم هستند که مستقیما در برخورد دهنده بزرگ هادرون ایجاد شوند، بررسی کنند.
در مرکز این کشف، ذره ای به نام B d وجود دارد که شامل یک کوارک زیبایی و یک آنتی کوارک داون است. دانشمندان شواهدی پیدا کردند مبنی بر اینکه این ذره می تواند به یک جفت میون تجزیه شود (μ + μ - ). میون ها شبیه الکترون ها هستند اما جرم بیشتری دارند. نتایج با پیش‌بینی‌های مدل استاندارد، تئوری پیشرو که ذرات بنیادی و برهم‌کنش‌های آنها را توصیف می‌کند، موافق است و به محدود کردن احتمال ذرات جدید فراتر از آن کمک می‌کند.
چرا تجزیه ذرات نادر می تواند فیزیک جدید را آشکار کند؟
یکی از دلایل علاقه فیزیکدانان به این واپاشی های غیر معمول این است که اثرات کوانتومی به ذرات دیگر اجازه می دهد تا بر نحوه وقوع آنها تأثیر بگذارند. حتی ذرات بسیار سنگین برای تولید در برخورد دهنده بزرگ هادرون می توانند به طور بالقوه آثار ظریفی در سرعت این فرآیندها بر جای بگذارند.
با اندازه‌گیری پوسیدگی‌های بسیار نادر با دقت بالا، محققان می‌توانند به دنبال تفاوت‌هایی بین نتایج تجربی و پیش‌بینی‌های نظری باشند. چنین اختلافاتی می تواند شواهد غیرمستقیم ذرات ناشناخته قبلی را ارائه دهد. به طور کلی، هرچه پوسیدگی نادرتر باشد، می تواند به این تأثیرات پنهان حساس تر باشد.
فروپاشی معروف به B d → μ + μ - متعلق به یک دسته خاص است که فیزیکدانان مدتهاست «کانال های طلایی» را برای بررسی فیزیک فراتر از مدل استاندارد در نظر گرفته اند. در طی این فرآیند، یک کوارک زیبایی و یک آنتی کوارک با بار الکتریکی مخالف یکدیگر را نابود می کنند. انرژی آنها به یک میون و پادذره آن تبدیل می شود.
دانشمندان قبلا یک فرآیند مرتبط را مشاهده کرده بودند که شامل یک ذره زیبایی متفاوت به نام B s است. در سال 2015، یک تجزیه و تحلیل مشترک توسط همکاری های LHCb و CMS، اولین مشاهدات تایید شده Bs → μ + μ - را به همراه شواهد اولیه برای واپاشی بسیار نادرتر Bd گزارش کرد.
با این حال، تجزیه و تحلیل‌های بعدی شامل داده‌های جمع‌آوری‌شده تا سال 2018 نتوانست شواهد قبلی را برای Bd → μ + μ - تأیید کند. تفاوت در نادر بودن قابل توجه است. فروپاشی Bs تقریبا سه بار در هر میلیارد فروپاشی ذره زیبایی رخ می دهد، در حالی که فرآیند B d پیش بینی می شود که تقریبا 30 برابر کمتر اتفاق می افتد.
آشکارساز CERN ارتقا یافته پیشرفت را ممکن می کند
یک پیشرفت قابل توجه در آزمایش LHCb به محققان کمک کرد تا بر دشواری عظیم تشخیص چنین رویداد نادری غلبه کنند.
پس از یک ارتقای بزرگ، این آزمایش در سال 2024 شروع به جمع‌آوری داده‌ها با پنج برابر نرخی شد که بین سال‌های 2010 و 2018 به دست آمده بود. آشکارساز ارتقا یافته همچنین در شناسایی انواع مختلف ذرات بهتر شد و به محققان تصویر واضح‌تری از فعالیت‌های تولید شده در طول برخوردها داد.
این تیم این پیشرفت‌ها را با تکنیک‌های یادگیری ماشین ترکیب کرد تا سیگنال‌های استثنایی نادر را از تعداد زیادی از فرآیندهای ذرات دیگر متمایز کند. بدون این پیشرفت‌ها، رویدادهایی که دانشمندان می‌خواستند مطالعه کنند تحت تأثیر پس‌زمینه قرار می‌گرفت.
مارکو سانتیماریا، که سرپرست تیم تجزیه و تحلیل بین المللی متشکل از 19 دانشمند بود، گفت: "فیزیکدانان بیش از چهل سال است که این فروپاشی را تعقیب کرده اند." دقت فوق العاده ای لازم است تا میون ها را از پس زمینه غافلگیر کنند.
چهار دهه جست و جو در نهایت شواهد قوی تولید کرد
در فیزیک ذرات، دانشمندان از یک معیار آماری به نام انحرافات استاندارد برای ارزیابی احتمال اینکه یک سیگنال ظاهری ناشی از نوسانات تصادفی به جای یک فرآیند فیزیکی واقعی باشد، استفاده می‌کنند.
یک نتیجه باید به سه انحراف استاندارد برسد تا به عنوان شواهد یک پدیده جدید واجد شرایط باشد. در آن سطح، احتمال نوسانات تصادفی که یک سیگنال را حداقل از نظر آماری شدید تولید می کنند تقریبا 0.3٪ است.
با استفاده از داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول سال‌های 2024 و 2025، محققان LHCb شواهدی از Bd → μ + μ - را با اهمیت 3.0 انحراف استاندارد شناسایی کردند. هنگامی که آنها این اندازه‌گیری‌ها را با داده‌های قبلی جمع‌آوری‌شده بین سال‌های 2011 و 2018 ترکیب کردند، اهمیت آماری به 3.2 انحراف استاندارد افزایش یافت که از آستانه پذیرفته‌شده برای شواهد فراتر رفت.
همین تحقیق همچنین دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌هایی را که تا به حال برای فروپاشی Bs → μ + μ - بدست آمده است، ارائه می‌کند که اطلاعات بیشتری در مورد این فرآیندهای استثنایی غیر معمول ارائه می‌کند.
اگرچه یافته های جدید نشان دهنده یک دستاورد بزرگ است، فیزیکدانان هنوز به آستانه مورد نیاز برای اعلام یک مشاهده تایید شده نرسیده اند. این نقطه عطف مستلزم اهمیت پنج انحراف استاندارد است.
اگر اندازه‌گیری‌های آینده به آن سطح از قطعیت دست یابند، Bd → μ + μ - نادرترین فروپاشی ذرات زیبایی خواهد بود که تا کنون مشاهده شده است.
ارتقاء برخورد دهنده بزرگ هادرون در آینده می تواند ذرات پنهان را کشف کند
محققان انتظار دارند پیشرفت‌های آتی در برخورددهنده بزرگ هادرونی این اندازه‌گیری‌ها را قوی‌تر کند.
LHC با درخشندگی بالا، همچنین به عنوان HiLumi LHC شناخته می شود، قرار است در سال 2030 شروع به کار کند. ارتقای عمده دیگری برای آزمایش LHCb برای اواسط دهه بعد برنامه ریزی شده است. این پیشرفت‌ها در کنار هم می‌توانند در نهایت نرخ جمع‌آوری داده‌های آزمایش را تا یک ضریب دیگر افزایش دهند.
جمع آوری مجموعه داده های بسیار بزرگتر به فیزیکدانان این امکان را می دهد که تعداد بیشتری از این واپاشی های بسیار نادر را شناسایی کرده و خواص آنها را با دقت بیشتری اندازه گیری کنند. این حساسیت افزایش یافته می تواند شناسایی اثرات ظریف مرتبط با ذراتی را که فراتر از دسترس مستقیم شتاب دهنده های موجود باقی می مانند، ممکن سازد.
هری کلیف، مسئول تجزیه و تحلیل نادر LHCb توضیح داد: «دیدن شواهدی از این فروپاشی نادر فوق‌العاده هیجان‌انگیز است و فرصت‌های جدیدی را برای کاوش فراتر از دسترسی مستقیم LHC باز می‌کند.
ارتقای LHCb در آینده به ما امکان می‌دهد تا بسیاری از این واپاشی‌ها را مشاهده کنیم و حساسیت بیشتری نسبت به ذرات کشف‌نشده ایجاد کنیم.
برای فیزیکدانانی که بیش از چهار دهه این سیگنال گریزان را دنبال کرده اند، شواهد جدید نشان دهنده پیشرفتی است که مدت ها انتظارش را می کشیدیم. همچنین روشی امیدوارکننده برای بررسی اینکه آیا قوانین شناخته شده فیزیک ذرات بخشی از یک تصویر بسیار بزرگتر هستند ارائه می دهد.
مواد ارائه شده توسط CERN. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.
دانشمندان چیزی غیرمنتظره را در 90 کیلومتری زیر زمین کشف کردند
دانشمندان می گویند شکل سالم تر نمک می تواند از مرگ 3 میلیون نفر در سال جلوگیری کند.
دانشمندان در اعماق دریا فیلم فوق‌العاده 4K از یک ماهی با سر واضح ضبط کردند
یک ماده پنهان در آب آشامیدنی ممکن است با مشکلات قلبی در کودکان مرتبط باشد
متن اصلی (انگلیسی)
After 40 years, CERN finds evidence of a one-in-10-billion particle decay
CERN scientists have finally found evidence of a particle decay so rare that it happens only once in roughly 10 billion decays, ending a search spanning more than 40 years. The breakthrough could help physicists uncover hidden particles and forces that lie beyond the reach of today's most powerful accelerators.