Visualisering av ett förfall av ett Bs meson i Run 2-data. De två röda linjerna motsvarar de två myonerna från sönderfallet. Kredit:CERN
Vid CERNs Large Hadron Collider (LHC) gör studier av sällsynta processer det möjligt för forskare att sluta sig till närvaron av tunga partiklar, inklusive oupptäckta partiklar, som inte kan produceras direkt. Sådana partiklar förväntas existera bortom standardmodellen och kan hjälpa till att förklara några av universums gåtfulla, såsom förekomsten av mörk materia, massorna av neutriner (gäckande partiklar som ursprungligen troddes vara masslösa) och universums materia- antimateria asymmetri.
En sådan process är det sällsynta sönderfallet av neutrala B-mesoner till ett myon- och antimuonpar:elektronens tyngre kusin parat med dess motsvarande antipartikel. Det finns två typer av neutrala B-mesoner:B 0 meson består av en skönhetsantikvark och en dunkvark, medan för Bs meson dunkvarken ersätts av en märklig kvarg. Om det inte finns några nya partiklar som påverkar dessa sällsynta sönderfall, har forskare förutspått att endast en av 250 miljoner Bs mesoner kommer att sönderfalla till ett myon-antimuonpar; för B 0 meson, processen är ännu mer sällsynt, bara en på 10 miljarder.
Forskare har letat efter experimentell bekräftelse av dessa förfall sedan 1980-talet. Först nyligen, 2014, var den första observationen av Bs till myonförfall rapporterat i en kombinerad analys av data som tagits av LHCb- och CMS-samarbeten, senare bekräftad av ATLAS-, CMS- och LHCb-experimenten individuellt. Men B 0 förfallet undviker fortfarande alla försök att observera det.
Med hjälp av data från körning 2 av LHC har CMS-experimentet släppt en ny studie av sönderfallshastigheten och livslängden för Bs mesonförfall, samt en sökning efter B 0 förfall. Den nya studien, som presenterades vid den internationella konferensen om högenergifysik (ICHEP), drar nytta av inte bara en stor mängd data som analyseras, utan också avancerade maskininlärningsalgoritmer som pekar ut de sällsynta sönderfallshändelserna från den överväldigande bakgrunden av händelser producerade av miljoner av partikelkollisioner per sekund.
Resultaten visade en mycket tydlig signal från Bs meson som sönderfaller till ett myon-antimuonpar. Precisionen i mätningen av avklingningshastigheten överstiger den som uppnåtts i tidigare mätningar i andra experiment.
Båda de observerade Bs sönderfallshastigheten, som befunnits vara 3,8 ± 0,4 delar av en miljard, och dess livslängdsmått på 1,8 ± 0,2 pikosekunder (en pikosekund är en biljondels sekund), är mycket nära de värden som förutspås av standardmodellen.
När det gäller B 0 sönderfall, även om inga bevis för det hittades från dessa resultat, kan fysiker med 95 % statistisk tillförsikt konstatera att dess sönderfallshastighet är mindre än 1 del på 5 miljarder.
Under de senaste åren har ett antal anomalier observerats i andra sällsynta B-mesonsönderfall, med diskrepanser mellan de teoretiska förutsägelserna och data - vilket indikerar den potentiella existensen av nya partiklar. Det nya CMS-resultatet ligger mycket närmare teoretiska förutsägelser än dessa andra sällsynta sönderfall och kan därför hjälpa forskare att förstå arten av anomalierna.
Sällsynta B-mesonsönderfall fortsätter att vara av stort intresse för forskare. Med Bs meson till myoner förfaller fast etablerat och mätt med hög precision, forskare siktar nu på det ultimata priset:B 0 förfall. Med stora datamängder som förväntas från LHC Run 3 hoppas de få en första glimt av denna extremt sällsynta process och lära sig mer om de förbryllande anomalierna. + Utforska vidare
