Fizycy zarejestrowali najrzadszy rozpad barionu w historii. To nie miało prawa się zdarzyć

Nieplanowany sukces podczas rutynowych badań

Co ciekawe, eksperyment LHCb wcale nie był nastawiony na poszukiwanie tego typu rozpadów. Jego głównym zadaniem pozostaje badanie subtelnych różnic między materią a antymaterią, co może rzucić światło na dominację materii we wszechświecie. Paradoksalnie, to właśnie unikalne możliwości detektora pozwoliły zarejestrować to marginalne zjawisko. Zupełnie niespodziewanie barion Σ+ (Sigma plus) rozpadł się na proton, mion i antymion. Jak podkreśla Gabriele Martelli z zespołu LHCb, to najrzadszy rozpad barionu zaobserwowany do tej pory.

Czytaj też: Naukowcy dokonali teleportacji kwantowej! Wielki sukces potwierdzony

Kluczem okazała się nietypowa długość życia barionu Σ+. W przeciwieństwie do wielu innych cząstek elementarnych, potrafi on przetrwać na tyle długo, by pokonać dystans kilku metrów przed rozpadem. Martelli wyjaśnia, iż Σ+ może żyć nieco dłużej, a po pokonaniu kilku metrów szybko rozpada się na proton i parę mionów. Bariony to cząstki subatomowe zbudowane z trzech kwarków, do których zaliczamy dobrze znane protony i neutrony. Istnieje jednak cała rodzina mniej stabilnych “krewnych” złożonych z rzadszych kwarków. Rozpad Σ+ → p μ+ μ- to przykład wyjątkowo rzadkiego procesu kwarkowego, który w modelu standardowym podlega silnemu tłumieniu. Współczynnik rozgałęzienia wynosi zaledwie (1,08 ± 0,17) × 10⁻⁸ – statystycznie oznacza to, że na każde 100 milionów rozpadów Σ+ tylko jeden przebiega tą drogą. W ogólnym rozrachunku mówimy o niezwykle czułym narzędziu do testowania granic obecnej fizyki. Każde odstępstwo od przewidywań mogłoby wskazywać na istnienie nieznanych zjawisk wykraczających poza wspomniany model standardowy.

Od sensacyjnej hipotezy do rozstrzygnięcia

Pierwsze poszlaki tego rozpadu pojawiły się już w 2005 roku podczas eksperymentu HyperCP w Fermilab, jednak opierały się jedynie na trzech zdarzeniach. Wyniki sugerowały wówczas istnienie tajemniczej cząstki pośredniczącej P0 o masie 214,3 MeV/c², co wywołało niemałe poruszenie w środowisku. Hipotetyczna cząstka wydawała się idealnym kandydatem na dowód istnienia fizyki wykraczającej poza model standardowy. Przez dwie dekady naukowcy bezskutecznie próbowali zweryfikować te doniesienia. Dopiero analiza danych z LHCb, zaprezentowana ze szczegółami na łamach Physical Review Letters przyniosła rozstrzygnięcie. Brak struktur rezonansowych w rozkładzie mas definitywnie wykluczył istnienie cząstki P0.

Czytaj też: Fizycy przepisali magnetyczne DNA materiału. Sądzono, że nigdy się to nie uda

Ironia losu? Sukces zawdzięczamy temu, że bariony Σ+ były początkowo traktowane przez badaczy jako… niepożądane zakłócenia. Ze względu na niższy pęd w porównaniu z cząstkami będącymi głównym celem badań, stanowiły jedynie tło pomiarowe. Jak wyjaśniają fizycy związani z eksperymentami, odnotowali niższy pęd w porównaniu do cząstek, które zwykle badają, więc stanowił coś w rodzaju tła dla głównych badań. Mimo to na koniec postanowili przeanalizować zgromadzone dane i wtedy zrozumieli, z jak ważnymi wynikami mają do czynienia. Ten przypadek dobitnie pokazuje wartość wielozadaniowości w fizyce wysokich energii. Podobnie jak detektor rejestrujący ciemną materię, który wychwycił historycznie rzadki rozpad atomowy, LHCb udowodnił, że nawet eksperymenty o wąskim profilu mogą przynosić zaskakujące rezultaty. I choć obserwacja potwierdza przewidywania modelu standardowego, nie zamyka to drogi do dalszych odkryć. Naukowcy skupiają się teraz na doprecyzowaniu obliczeń teoretycznych z wykorzystaniem zaawansowanych symulacji. Już sama precyzja dotychczasowych pomiarów przy tak ekstremalnej rzadkości zjawiska robi wrażenie. Czekamy na kolejne dane z akceleratorów, a być może i następne odkrycia.