Search for the rare decay
Met behulp van een steekproef van ongeveer 10 miljard -gebeurtenissen verzameld door de BESIII-detector, zochten onderzoekers naar het zeldzame verval , vonden geen significant signaal, en stelden een nieuwe bovengrens vast voor de vertakkingsfractie van bij een betrouwbaarheidsniveau van 90%, wat de vorige limieten met meer dan een factor vier heeft verbeterd.
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 zijn deeltjes niet alleen kleine bouwstenen; ze zijn ook boodschappers van de meest fundamentele regels van het universum. Onder deze regels behoren symmetrieën—verborgen patronen die dicteren hoe deeltjes zich gedragen en transformeren. Een dergelijke regel is lading-conjuguatie, of C-symmetrie, wat in essentie de vraag stelt: als je elk deeltje in een reactie zou verwisselen met zijn antimaterie-tweeling, zouden de natuurwetten er dan exact hetzelfde uitzien? Voor de meeste alledaagse processen is het antwoord ja. Echter, natuurkundigen hebben lang vermoed dat de natuur deze regel af en toe op zeer specifieke, zeldzame manieren kan schenden. Het vinden van een dergelijke breuk zou een monumentale ontdekking zijn, die wijst op nieuwe fysica buiten ons huidige begrip van het universum.
Twee deeltjes, de eta en de eta-prime, staan centraal in dit onderzoek. Ze zijn neutraal, wat betekent dat ze geen elektrische lading dragen, en ze zijn gemaakt van een mengsel van quarks, de fundamentele bouwstenen van materie. Vanwege hun unieke samenstelling en de strikte behoudswetten die hen beheersen, worden deze deeltjes verwacht op zeer voorspelbare manieren te vervallen. Als zij zouden vervallen in drie fotonen—deeltjes licht—in plaats van hun gebruikelijke twee, zou dit een schending van de C-symmetrie signaleren. Een dergelijke gebeurtenis is zo onwaarschijnlijk onder onze huidige theorieën dat het vinden ervan zou zijn als het spotten van één specifiek zandkorreltje op een uitgestrekt strand, maar het is precies dit soort zoektocht naar de naald in de hooiberg die de moderne deeltjesfysica aandrijft.
Een team van onderzoekers van de BESIII-collaboratie heeft nu een enorme stap gezet in deze zoektocht. Met behulp van een gigantische deeltjesdetector gelegen bij het Instituut voor Hoogenergefysica in Beijing, analyseerden zij een kolossale dataset met meer dan tien miljard botsingen van elektronen en positronen. Deze botsingen, die plaatsvinden bij een faciliteit genaamd BEPCII, produceren een regen van deeltjes, waaronder het J/psi-meson. De onderzoekers richtten zich op een specifieke keten van gebeurtenissen: een J/psi-meson dat vervalt in een foton en een eta-prime-deeltje, gevolgd door dat eta-prime-deeltje dat vervalt in drie fotonen. Om dit zeldzame evenement op te sporen, moest het team door een berg data siften, zoekend naar een zeer specifieke handtekening: een energiepuls van drie afzonderlijke lichtflitsen, zonder dat er andere geladen deeltjes aanwezig zijn in het uiteindelijke mengsel.
De uitdaging was immens. De detector, een complexe cilinder gevuld met gevoelige instrumenten, registreert energiedeposities van deeltjes die erdoorheen passeren. Het team moest miljarden achtergrondgebeurtenissen wegfilteren die hun signaal zouden kunnen nabootsen, zoals gevallen waarin een deeltje vervalt in twee fotonen en een derde, ongerelateerd foton toevallig in de buurt wordt gedetecteerd. Ze gebruikten geavanceerde computersimulaties om te begrijhalen hoe hun detector zou reageren op zowel het signaal dat ze op zoek waren als op de ruis die het signaal zou kunnen maskeren. Door strikte filters toe te passen op de timing en energie van de lichtflitsen, en door te controleren of de gecombineerde massa van de drie fotonen overeenkwam met de bekende massa van het eta-prime-deeltje, brachten ze het veld terug tot een hanteerbaar aantal kandidaten.
Na het uitvoeren van hun analyse vonden de onderzoekers geen bewijs voor het zeldzame verval dat ze zochten. De data vertoonden geen significante piek in het aantal drie-foton-gebeurtenissen die aan het eta-prime-deeltje toegeschreven kon worden als gevolg van het breken van de regels. In plaats daarvan waren de resultaten consistent met willekeurige achtergrondfluctuaties. De afwezigheid van een signaal is op zichzelf een krachtig resultaat. Het stelde het team in staat om een nieuwe, veel striktere limiet vast te stellen aan hoe vaak dit verboden verval mogelijk kan plaatsvinden. Ze bepaalden dat, indien het verval plaatsvindt, dit minder dan 2,25 keer in elke 100.000 geproduceerde eta-prime-deeltjes gebeurt. Deze nieuwe bovengrens is meer dan vier keer strikter dan de vorige beste meting, waardoor de grenzen van wat mogelijk is in de subatomaire wereld effectief worden verlegd.
De implicaties van dit nulresultaat zijn aanzienlijk voor de bredere zoektocht naar het begrijpen van het universum. Door het verval uit te sluiten bij dit niveau van gevoeligheid, legt de studie strikte beperkingen op aan theorieën die nieuwe bronnen van symmetriebreking voorspellen. Als er nieuwe fysica bestaat die toestaat dat de eta-prime splitst in drie fotonen, dan moet deze nog ongrijpbaarder zijn dan voorheen gedacht. Het werk van de onderzoekers staat als een testament voor de kracht van geduld en precisie in de wetenschap; door naar tien miljard gebeurtenissen te kijken en niets te vinden, hebben ze succesvol een laag van onzekerheid weggeveegd, waardoor we dichter bij een compleet beeld komen van hoe de fundamentele krachten van de natuur werken.
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.