Nakon 42 godine potrage fizičari dobili dokaz o raspadu čestice koji se dešava jednom u deset milijardi

Fizičari okupljeni u saradnji LHCb, smještenoj uz Veliki hadronski sudarač (LHC) u CERN-u, objavili su eksperimentalne dokaze o raspadu čestice poznate kao Bd mezon na mion i anti-mion — pojavi koja se dešava samo jednom na svakih deset milijardi raspadanja ove čestice, što su izgledi znatno manji od dobitka na lotu. Naučnici ovom pojavom istražuju najdublja pitanja o svemiru: šta se dogodilo neposredno nakon Velikog praska, gdje se krije tamna materija i zašto normalna materija uopšte postoji.

Rezultat je predstavljen na seminaru 3. novembra, a objavljen je i u radu na platformi arXiv koji još nije prošao recenziju. Da bi se neka pojava proglasila dokazom, potrebna je značajnost od tri standardne devijacije, odnosno „3 sigma", što odgovara 0,3 posto šanse da je rezultat slučajan. Najnoviji podaci iz 2024. i 2025, kombinovani s ranijim mjerenjima prikupljenim između 2011. i 2018, daju značajnost od 3,2 sigma. Za potvrdu otkrića prema „zlatnom standardu" potrebna je značajnost od pet sigma, pa su nužna dalja istraživanja.

Bd mezon se sastoji od dva kvarka — takozvanog beauty kvarka i down antikvarka. Beauty kvarkovi su bili česti u prvim trenucima nakon Velikog praska, kada je svemir bio star stotinu milijardit dio sekunde, ali danas u prirodi više ne postoje. Naučnici ih stoga stvaraju u sudarima protona pri brzinama bliskim brzini svjetlosti, pri čemu nastaju kratkoživući mezoni koji se raspadnu za jedan i po trilioniti dio sekunde. Samo jednom u deset milijardi slučajeva raspad proizvede mion i anti-mion. Mioni sami „žive" tek oko dva milionita dijela sekunde prije nego što se raspadnu na čestice poput elektrona i pozitrona.

Kako je postignut proboj

Uspjeh je omogućen nedavnom nadogradnjom detektora LHCb, koja je značajno povećala brzinu detekcije sudara, kao i primjenom mašinskog učenja za poboljšanje odnosa signala i šuma. Eksperiment LHCb raspade detektuje instrumentima poput poddetektora VELO, smještenog manje od širine prsta od snopa čestica.

Uz dokaz o ovom raspadu, tim je objavio i znatno preciznije mjerenje srodnog raspada koji je ranije već opažen. Niladri Sahoo, fizičar sa Univerziteta u Birminghamu i predvodnik radne grupe LHCb za vrlo rijetke raspade, opisao je rezultate kao „moćnu novu probu Standardnog modela i prozor u potencijalnu novu fiziku". Nalazi ukazuju na mogućnost da na još manjim razmjerama — u takozvanom „zeptoverzu", hiljadu biliona puta manjim od debljine ljudske dlake — postoje neotkrivene čestice ili sile. Nadogradnje sudarača planirane za tridesete godine ovog vijeka povećat će broj sudara i količinu prikupljenih podataka za red veličine.

Kako su istraživači saželi, svi su rezultati u skladu s očekivanjima Standardnog modela i ograničavaju doprinose nove fizike na energetskim skalama izvan onih dostupnih direktnom proizvodnjom na LHC-u. Standardni model objašnjava velik dio svemira, ali ne rasvjetljava tamnu materiju ni blagu asimetriju između normalne materije i antimaterije koja je spriječila da se cijeli kosmos poništi u energiji nakon Velikog praska. Rezultati sugeriraju i da otkriće nove fizike možda neće zahtijevati da LHC direktno proizvede novu česticu, već indirektne dokaze, primjerice u drugim stopama raspada — kao što je bio slučaj s otkrićima charm kvarka i top kvarka. Potonji je najteži od kvarkova, otprilike mase cijelog atoma zlata.

„Prvi put vidjeti jasne dokaze za ovaj najrjeđi raspad bilo je uzbudljivo", zaključuje Harry Cliff, fizičar sa Univerziteta u Cambridgeu i vođa tima za analizu. „Sada kucamo na vrata zeptoverza. Jedva čekam da vidim šta ćemo pronaći dok budemo istraživali dublje."