Branching fraction measurements of and anomalous decays
Gebruikmakend van 13 TeV $pp$-botsingsdata van het LHCb-experiment, rapporteert dit artikel de eerste experimentele zoektocht naar -vervallen en de tot nu toe meest nauwkeurige meting van de -vertakkingsfractie, terwijl het ook nieuwe bovengrenzen en metingen biedt voor verschillende andere anomale vervallen van de - en -mesonen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Diep in de subatomaire wereld fungeren deeltjes die bekend staan als meson als vluchtige boodschappers, die krachten overbrengen tussen de fundamentele bouwstenen van materie. Onder deze deeltjes zijn de eta- en eta-prime-mesonen bijzonder interessant omdat het zware, instabiele neefjes van de pionen zijn, en hun gedrag wordt beheerst door de sterke kernkracht, de lijm die atoomkernen bij elkaar houdt. Natuurkundigen gebruiken deze deeltjes al lang om de grenzen van hun beste theorieën over hoe het universum op de kleinste schaal werkt, te testen. Een specifiek raadsel betreft zeldzame vervalprocessen, waarbij deze mesonen transformeren in paren muonen, die zwaardere, instabiele versies van elektronen zijn. Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica zouden deze transformaties op een zeer voorspelbare snelheid plaatsvinden, gedreven door een subtiel kwantumeffect waarbij virtuele fotonen worden gecreëerd en vernietigd. Echter, als de werkelijke snelheid van deze vervallen afwijkt van de voorspelling, zou dit kunnen wijzen op de aanwezigheid van nieuwe, onzichtbare deeltjes of krachten die nog niet zijn ontdekt.
Een team van onderzoekers dat gebruikmaakt van de Large Hadancer Collider beauty (LHCb)-experiment heeft nu een frisse blik geworpen op deze zeldzame gebeurtenissen. Door een enorme collectie gegevens uit hogesnelheidsbotsingen van protonen te analyseren, hebben ze gemeten hoe vaak eta-meson vervalt in twee muonen met ongekende precisie. Ze zochten ook naar hetzelfde verval in het zwaardere eta-prime-meson, een proces dat nog nooit eerder was waargenomen. Hoewel ze een duidelijk signaal vonden voor het eta-meson, vonden ze niet genoeg bewijs om het verval van het eta-prime-meson te bevestigen, en stelden in plaats daarvan een strikte bovengrens vast voor hoe vaak het zou kunnen voorkomen. Verder keek het team naar een specif kind type verval met vier deeltjes, bestaande uit twee pionen en twee muonen, waarbij ze een duidelijk signaal vonden voor de eta-prime-versie, maar slechts een bovengrens voor de eta-versie. Deze resultaten verhelderen het beeld van hoe deze deeltjes zich gedragen, bevestigen sommige theoretische verwachtingen en laten tegelijkertijd de deur open voor toekomstige ontdekkingen.
De onderzoekers voerden hun studie uit met behulp van gegevens die tussen 2016 en 2018 zijn verzameld bij de LHCb-detector, die is ontworpen om deeltjes op te sporen die zware quarks bevatten. Ze concentreerden zich op botsingen waarbij de energie gelijk was aan 13 biljoen elektronvolt, een schaal die hoog genoeg is om enorme hoeveelheden charm-meson te produceren. Deze charm-meson zijn cruciaal voor het experiment omdat ze regelmatig vervallen naar de eta- en eta-prime-meson die de wetenschappers wilden bestuderen. Door de brokstukken van deze botsingen te volgen, kon het team de paden van de resulterende deeltjes reconstrueren en identificeren wanneer een eta of eta-prime meson was getransformeerd in de specifieke combinaties van muonen en pionen waar ze naar op zoek waren. Om de nauwkeurigheid van hun metingen te waarborgen, vergeleken ze deze zeldzame gebeurtenissen met een goed begrepen referentieproces van een ander deeltje genaamd het phi-meson, dat ook vervalt in muonen. Deze vergelijking maakte het mogelijk om veel van de onzekerheden met betrekking tot de werking van de detector weg te strepen.
De analyse onthulde een duidelijk signaal voor het verval van het eta-meson in twee muonen. Het team berekende dat dit ongeveer 5,3 keer per miljoen eta-meson gebeurt. Deze meting is de meest precieze ooit geregistreerde voor dit specifieke proces, waarmee de nauwkeurigheid van eerdere resultaten met meer dan de helft is verbeterd. De precisie van dit getal is significant omdat het theoretici in staat stelt hun berekeningen van de sterke kracht met groter vertrouwen te testen. Als de theoretische voorspellingen voor de sterkte van de interactie tussen het meson en de fotonen niet overeenkomen met deze nieuwe, scherpere meting, zou dit kunnen wijzen op een fout in het huidige begrip van de deeltjesfysica. Het resultaat staat als een solide bevestiging van het standaardmodel voor dit specifieke vervalkanaal, waarbij de onzekerheid is teruggebracht tot slechts enkele procenten.
In contrast hiermee leverde de zoektocht naar het verval van het eta-prime-meson in twee muonen geen definitief signaal op. De onderzoekers onderzochten de gegevens en stelden vast dat als dit verval al plaatsvindt, het extreem zeldzaam moet zijn, optredend minder dan 1,9 keer per tien miljoen eta-prime-meson. Dit is de eerste keer dat een dergelijk limiet voor dit deeltje is vastgesteld. Het gebrek aan een duidelijk signaal betekent niet dat het verval onmogelijk is, maar het betekent wel dat als het bestaat, het veel minder frequent is dan sommige theorieën misschien hebben gesuggereerd. Het team keek ook naar een complexer verval waarbij het eta-prime-meson uiteenvalt in twee pionen en twee muonen. Hierbij vonden ze een sterk signaal en maten ze de snelheid waarmee dit gebeurt op ongeveer 2,7 keer per honderdduizend eta-prime-meson. Dit is de eerste keer dat dit specifieke verval met vier deeltjes is gemeten voor het eta-prime, wat nieuwe gegevens oplevert over hoe deze deeltjes met pionen interageren.
De studie richtte zich ook op het eta-meson in de vervalmodus met vier deeltjes, waarbij naar dezelfde combinatie van twee pionen en twee muonen werd gezocht. In dit geval werd geen signaal gevonden. De onderzoekers bepaalden dat als dit verval plaatsvindt, het minder dan 5,4 keer per tien miljoen eta-meson moet gebeuren. Dit resultaat is consistent met theoretische voorspellingen die suggereren dat dit verval sterk onderdrukt wordt door de lagere massa van het eta-meson in vergelijking met het eta-prime-meson. Het verschil in massa beperkt de beschikbare ruimte voor de vervalproducten om te bewegen, waardoor het proces veel minder waarschijnlijk is voor het lichtere deeltje. Door deze bovengrenzen vast te stellen, hebben het team effectief de mogelijkheid uitgesloten dat dit verval plaatsvindt met een snelheid die met hun huidige gegevens gemakkelijk detecteerbaar zou zijn.
Buiten het testen van het standaardmodel om, gebruikten de onderzoekers hun gegevens ook om te zoeken naar tekenen van nieuwe fysica, specifiek zoekend naar hypothetische deeltjes zoals donkere fotonen of axion-achtige deeltjes die deze vervallen zouden kunnen bemiddelen. Ze scanden de gegevens op onverwachte patronen die zouden suggereren dat een onzichtbaar deeltje werd gecreëerd en vervolgens in de muonen verviel. Na een grondige zoektocht over een reeks mogelijke massa's voor deze hypothetische deeltjes, vonden ze geen bewijs van dergelijke nieuwe fysica. Ze stelden nieuwe, striktere limieten vast voor hoe vaak deze exotische deeltjes betrokken zouden kunnen zijn bij de vervallen, waardoor de zoekruimte voor toekomstige experimenten effectief werd verkleind. De afwezigheid van deze signalen versterkt de huidige visie dat het standaardmodel goed standhoudt in dit regime, hoewel de deur open blijft voor meer gevoelige zoektochten in de toekomst.
De precisie van deze metingen wordt niet beperkt door de hoeveelheid verzamelde gegevens, maar door de onzekerheid in de bekende eigenschappen van het referentie-deeltje dat voor de vergelijking wordt gebruikt. Het team vertrouwde op de bekende vervalsnelheid van het phi-meson naar muonen, die een kleine foutmarge met zich meebrengt. Totdat deze referentiewaarde met grotere precisie wordt gemeten, zal de nauwkeurigheid van deze nieuwe resultaten beperkt blijven tot het huidige niveau. Desondanks vormt dit werk een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van het gedrag van eta- en eta-prime-meson. Door het meest precieze meting van het eta-naar-muon verval te leveren en de eerste metingen en limieten voor de eta-prime kanalen te presenteren, heeft de LHCb-collaboratie een heldere kaart van het subatomaire landschap getekend. Deze resultaten zullen dienen als een benchmark voor theoretici die hun modellen verfijnen en voor experimentatoren die de volgende generatie zoektochten naar het onbekende plannen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.