I en värld av elementarpartiklar, spår av en potentiell "ny fysik" kan döljas i processer relaterade till baryonernas förfall. Analys av data från LHCb-experimentet vid Large Hadron Collider utförd av forskare från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow har, dock, visat att en av de sällsynta sönderfallen av baryoner som innehåller charmkvarken hittills inte visar några anomalier.

Baryons, som är sammansatta partiklar gjorda av tre kvarkar, kan sönderfalla till lättare partiklar. Dessa typer av sönderfall sker vanligtvis indirekt via mellantillståndet (resonant). Ibland, dock, sönderfallet fortsätter direkt i ett steg (icke resonant). Standardmodellen förutspår att vissa icke-resonanta baryonförfall är extremt sällsynta – beroende på typen av baryon, de borde inträffa en gång per miljard fall, eller ännu mer sällan.

"Om frekvensen av vissa icke-resonanta sönderfall skulle vara annorlunda än förutspått av standardmodellen, det kan indikera förekomsten av processer och partiklar som ännu inte är kända, och indikera existensen av "ny fysik". Det är därför icke-resonanta sönderfall har väckt vår uppmärksamhet så länge, " förklarar Prof. Mariusz Witek från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow.

Prof. Witek ledde en grupp med fem medlemmar av fysiker från Krakow som letade efter icke-resonanta sönderfall av charmad baryon Lambda c i data som samlades in 2011 och 2012 av det internationella LHCb-experimentet vid Large Hadron Collider i Genève.

I studien, forskarna fokuserade på Lambda c-baryoner, dvs partiklar gjorda av dun (d), upp (u) och charm (c) kvarkar. Den mest massiva toppkvarken (t) sönderfaller så snabbt att den inte alls kombineras med andra kvarkar, så det skapar inte baryoner, vars förfall kunde observeras. Nedbrytningen av partiklar som innehåller den näst största kvarken i termer av massa, skönheten (b) kvarg, har redan analyserats tidigare, eftersom deras sönderfall var något lättare att upptäcka. Krakowgruppen var involverad här och bidrog till observation av intressanta avvikelser från teoretiska förutsägelser. I den här situationen, bara förfallen av charmade baryoner förblev i stort sett outforskade.

"Standardmodellen förutspår att icke-resonanta sönderfall av Lambda c-baryoner till tre partiklar - en proton och två myoner - bör inträffa mer eller mindre en gång i hundratals miljarder sönderfall. Detta är ett mycket sällsyntare fenomen än sönderfallen av baryoner som innehåller skönhetskvarken. , som vi analyserades tidigare, " säger Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN). "Mätningar och analyser är nu mycket svårare. Vi måste undersöka en mycket större grupp av händelser som registrerats i LHCb-experimentet. Dock, det är värt att göra, för som belöning kan du stöta på ett spår av mycket mer subtila processer. Om vi ​​lyckas observera eventuella inkonsekvenser med förutsägelser, detta skulle med största sannolikhet vara en signal om en "ny fysik."

Med så sällsynta fenomen, särskiljandet av icke-resonanta sönderfall av Lambda c-baryoner från bakgrunden har visat sig vara en svår och tidskrävande uppgift. Ändå, de Krakow-baserade fysikerna har lyckats förbättra en övre gräns för frekvensen av icke-resonanta sönderfall med upp till 100 gånger. Det uppskattades till mindre än en på hundratals miljoner.

"Med hänsyn till ytterligare uppgifter, inklusive den andra körningen av LHC-acceleratorn, borde snart förbättra vårt resultat med en faktor 10. Så vi skulle vara mycket nära standardmodellens förutsägelser. Om någon sorts "ny fysik" visar sig i Lambda c-baryonernas förfall, detta kommer att vara sista chansen för den att avslöja sig själv. För närvarande, det finns inte det minsta spår av det, " sammanfattar prof. Witek.

Under analyserna, de Krakow-baserade forskarna observerade också resonanssönderfall, där Lambda c-baryonen sönderföll till en proton och omega meson. Bristen på signaler som indikerar ännu en väg för resonansavklingning - till en proton och en rho meson - var något överraskande. Dock, detta resultat visade sig vara i linje med teoretiska förutsägelser.