Observation of the and study of the decays
Gebruikmakend van LHCb proton-proton botsingsgegevens rapporteert dit artikel de eerste observatie van het zeldzame verval met een gemeten vertakkingsfractie van en biedt een nieuwe meting van de vertakkingsfractieratio tussen en .
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
In de subatomaire wereld volgt de natuur een strikte set regels die bekend staat als het Standaardmodel. Dit kader legt uit hoe de kleinste bouwstenen van het universum met elkaar interageren, maar het bevat ook zeldzame mazen in de wet. Een dergelijke maas heeft betrekking op een specifiek type transformatie waarbij een zwaar deeltje, een bottomquark, verandert in een lichtere strangequark. Volgens het Standaardmodel is deze overgang extreem moeilijk te realiseren; het kan alleen gebeuren via complexe, indirecte paden die de gebeurtenis onderdrukken, wat het een zeer zeldzame voorkomst maakt. Omdat deze gebeurtenissen zo zeldzaam zijn, fungeren ze als een gevoelige test voor de wetten van de fysica. Als het universum zich tijdens deze zeldzame momenten net iets anders gedraagt dan het Standaardmodel voorspelt, zou dit een teken kunnen zijn van nieuwe, onontdekte krachten of deeltjes die in de schaduwen schuilen.
Decennialang hebben wetenschappers hun zoektocht naar deze zeldzame gebeurtenissen gericht op deeltjes die mesonnen worden genoemd, die bestaan uit twee quarks. Er is echter een andere familie van deeltjes, genaamd baryonen, die bestaan uit drie quarks. Deze baryonen bieden een ander perspectief omdat ze draaien (spin), wat een laag van complexiteit toevoegt die mesonnen niet hebben. Tot nu toe was het onderzoek naar deze zeldzame transformaties in baryonen beperkt tot slechts één type, waardoor er een gat ontstond in ons begrip van hoe deze regels van toepassing zijn op zwaardere, complexere deeltjes. Het LHCb-experiment bij CERN, een enorme detector ontworpen om deeltjes met zware quarks te bestuderen, heeft nu de aandacht gevestigd op een zwaardere baryon bekend als de . Dit deeltje is veel zeldzamer om te produceren dan de eerder bestudeerde deeltjes, waardoor de zoektocht naar de zeldzame verval van deze baryon een aanzienlijke uitdaging vormt.
Een team van onderzoekers dat gebruikmaakt van de LHCb-detector heeft voor het eerst een zeldzaam verval van de -baryon waargenomen. In dit proces transformeert de zware baryon in een lichter deeltje, een , en een paar muonen, die zware neven van het elektron zijn. Deze gebeurtenis wordt aangedreven door de zeldzame overgang van een bottomquark naar een strangequark. Om dit signaal te vinden, analyseerde het team een enorme hoeveelheid gegevens die gedurende meerdere jaren zijn verzameld uit proton-protonbotsingen in de Large Hadron Collider. Ze zochten naar een specifieke handtekening: een cascade van vervallen waarbij de zware baryon eerst uiteenvalt in een en twee muonen, en de zelf vervolgens vervalt in een lambda-deeltje en een pion, waarbij het lambda-deeltje verder vervalt in een proton en nog een pion. Deze unieke keten van gebeurtenissen creëert een afgebakend pad door de detector dat zeer moeilijk door achtergrondruis na te bootsen is.
De onderzoekers vonden duidelijk bewijs voor dit verval en observeerden een signaal dat statistisch significant genoeg is om als een ontdekking te worden beschouwd. Ze telden het aantal keren dat deze gebeurtenis voorkwam en vergeleken dit met een meer voorkomend, vergelijkbaar verval waarbij de transformeert in een en een J/psi-deeltje, een bekende toestand bestaande uit een charmquark en zijn antideeltje. Door dit veelvoorkomende verval als referentiepunt te gebruiken, kon het team veel van de onzekerheden met betrekking tot de frequentie waarmee deze deeltjes worden geproduceerd en hoe de detector ze waarneemt, elimineren. Deze methode stelde hen in staat om de waarschijnlijkheid van de zeldzame gebeurtenis met veel grotere precisie te meten. Ze bepaalden dat de vertakkingsfractie, wat de waarschijnlijkheid is dat dit specifieke verval plaatsvindt van alle mogelijke manieren waarop het deeltje kan vervallen, ongeveer is. Dit betekent dat voor elke tien miljoen vervallen dit zeldzame evenement ongeveer één keer voorkomt, een snelheid die verrassend hoog is vergeleken met andere soortgelijke zeldzame processen waarbij baryonen betrokken zijn.
De studie onderzocht ook hoe dit verval zich gedraagt bij verschillende energieniveaus, specifiek door de massa van de twee geproduceerde muonen te onderzoeken. De onderzoekers verdeelden de gegevens in drie afzonderlijke bereiken van deze massa. In het hoogste energiebereik vonden ze een zeer sterk signaal, wat bevestigt dat het verval daar regelmatig plaatsvindt. In het middelste bereik vonden ze bewijs voor het verval, zij het met minder zekerheid. In het laagste energiebereik was het signaal te zwak om het verval te bevestigen, dus stelden ze een bovengrens vast voor hoe vaak dit zou kunnen gebeuren. Deze metingen werden vergeleken met voorspellingen van theoretische modellen gebaseerd op lattice kwantumchromodynamica, een krachtige methode voor het berekenen van het gedrag van quarks. De resultaten vertoonden een goede overeenstemming met deze voorspellingen, met name in de hoogenergetische regio, wat suggereert dat het huidige begrip van het Standaardmodel ook voor deze zware, complexe deeltjes standhoudt.
Naast het zeldzame muonpaar-verval bestudeerde het team ook een gerelateerd proces waarbij de vervalt in een en een zwaardere neef van de J/psi, de . Ze maten de verhouding van hoe vaak dit gebeurt ten opzichte van het meer voorkomende J/psi-verval. Ze vonden dat het -verval ongeveer half zo vaak voorkomt als het J/psi-verval. Dit resultaat is consistent met metingen aan andere soorten baryonen en helpt wetenschappers het belang van complexe interacties te begrijpen die optreden wanneer deze deeltjes vervallen. Het feit dat het zeldzame muonpaar-verval plaatsvindt met een snelheid die vergelijkbaar is met, of zelfs hoger is dan, soortgelijke vervallen in lichtere deeltjes, suggereert dat de zware massa van de de lage productie-frequentie gedeeltelijk kan compenseren, waardoor het mogelijk wordt om deze ongrijpbare gebeurtenissen te observeren.
Deze ontdekking opent een nieuw hoofdstuk in de studie van zware baryonen. Door te bevestigen dat deze zeldzame vervallen plaatsvinden en hun snelheden te meten, hebben de onderzoekers een nieuw ijkpunt geboden voor het testen van het Standaardmodel. Het vermogen om deze zeldzame gebeurtenissen in een zwaarder baryonsysteem te observeren, met zijn unieke spin-eigenschappen, biedt een complementaire manier om afwijkingen te controleren die kunnen wijzen op nieuwe fysica. Terwijl het LHCb-experiment in de komende jaren meer gegevens blijft verzamelen, zullen wetenschappers in staat zijn om de gedetailleerde hoekpatronen van deze vervallen te bestudelen, wat potentieel nog diepere geheimen kan onthullen over de fundamentele krachten die het universum beheersen. De observatie van het verval staat als een testament voor de kracht van precisie-meting in de zoektocht naar het begrijpen van de bouwstenen van de werkelijkheid.
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.