Vad händer om oddsen för att en händelse inträffar var ungefär en på tio miljarder? Detta är fallet för sönderfallet av en positivt laddad partikel känd som en kaon till en annan positivt laddad partikel som kallas en pion och ett neutrino-antineutrino-par. Än, en så sällsynt händelse, som aldrig har observerats med säkerhet, är något som partikelfysiker verkligen vill lägga vantarna på. Anledningen? Standardmodellen förutspår sådana en på tio miljarder odds med en osäkerhet på mindre än tio procent. En avvikelse från denna förutsägelse, avslöjas genom en exakt mätning av förfallet, skulle därför kunna vara en tydlig indikator på fysik bortom standardmodellen.

I ett seminarium som äger rum idag på CERN, NA62-samarbetet rapporterar en kandidathändelse av detta extremt sällsynta kaon-förfall som hittats med hjälp av en ny "in-flight decay"-metod. Även om denna enstaka händelse inte kan användas för att undersöka bortom standardmodellfysik, det visar att tillvägagångssättet fungerar bra och kan användas för att fånga fler händelser i nästa omgång av datainsamling, som startar i mitten av april. Resultatet presenterades också tidigare denna månad på Rencontres de Moriond-konferensen i La Thuile, Italien.

För att leta efter kaonförfall, NA62-teamet gör först strålar rika på kaoner genom att avfyra högenergiprotoner från Super Proton Synchrotron (SPS) acceleratorn in i ett berylliummål. Kollisionen skapar en stråle med nästan en miljard partiklar per sekund, endast cirka 6% av dem är kaoner. Nästa, laget skickar strålen genom en Cherenkov-detektor, vilket positivt identifierar kaonerna från Cherenkov-strålningen som de producerar. En kiselpixeldetektor bestämmer sedan kaonernas momentum med en tidsupplösning på 100 pikosekunder. En enhet som kallas halmspårare, placerad inuti vakuumtanken, mäter i sin tur rörelsemängden hos de laddade dotterpartiklarna i vilka kaonerna sönderfaller, och en annan Cherenkov-detektor som heter RICH bestämmer partiklarnas typ. Andra enheter som kallas kalorimetrar avvisar oönskade bakgrundshändelser med fotoner och myoner.

I sin analys av data som tagits under 2016, NA62-teamet identifierade en kandidathändelse för sönderfallet av en positivt laddad kaon till en positivt laddad pion och ett neutrino-antineutrino-par som undkommer oupptäckt. Resultatet gjorde det möjligt för forskarna att sätta en övre gräns för den relativa frekvensen, eller "förgrenande fraktion", av förfallet av 14 på 10 miljarder. Resultatet är kompatibelt med standardmodellens förutsägelse, vilket är 8,4 av 100 miljarder (med en osäkerhet på 1), men mer data behövs för att undersöka teorier bortom standardmodeller, som förutsäger avvikelser från standardmodellvärdet.

Det är inte första gången som antydningar om detta förfall har observerats. Flera kandidathändelser har tidigare rapporterats av E949-experimentet och dess föregångare E787 vid Brookhaven National Laboratory på Long Island, New York. Dessa kandidathändelser har använts för att sluta sig till en förgrening av 17,3 av 100 miljarder (med en osäkerhet på cirka 11), vilket är konsekvent, inom stora fel, med standardmodellens förutsägelse.

Men det finns en skillnad mellan Brookhaven-experimenten och NA62:medan den förra observerade kaonen sönderfalla med partiklarna i vila i ett mål, NA62 observerar dem medan partiklarna flyger i vakuumtanken. Den här nya metoden under flygning har fördelar eftersom den ger mycket mer utrymme för upptäckt och immunitet mot bakgrundshändelser.

NA62-teamet förväntar sig att identifiera fler händelser av det sällsynta kaonförfallet i den pågående analysen av en tjugo gånger större datauppsättning som togs 2017, och den kommer att börja ta data igen i mitten av april under rekordmånga 218 dagar. Om allt går enligt planerna, samarbetet bör kunna mäta sönderfallets förgreningsfraktion med en tillräckligt liten osäkerhet för att göra ett exakt test av standardmodellen.