LHCb համագործակցության գիտնականները, որոնք աշխատում են ՑԵՌՆ-ի Մեծ Հադրոնային Կոլայդերում (LHC), առաջին անգամ գրանցել են սիգմա-պլյուս (Σ⁺) բարիոնի չափազանց հազվագյուտ տրոհումը՝ պրոտոնի և հակառակ լիցքերով մյուոնների զույգի վերածվելը: Այս իրադարձությունը դարձել է դիտարկումների պատմության մեջ ամենահազվագյուտ բարիոնային տրոհումը: Հետազոտության արդյունքները հրապարակվել են Physical Review Letters (PRL) ամսագրում 2025 թվականի օգոստոսի 19-ին:

Ի՞նչ են բարիոնները և ինչու է սա կարևոր

Բարիոնները մասնիկներ են, որոնք բաղկացած են երեք քվարկերից, որոնք կապված են ուժեղ միջուկային փոխազդեցությամբ: Դրանք կազմում են Տիեզերքում տեսանելի նյութի հիմքը, ներառյալ պրոտոններն ու նեյտրոնները, որոնցից կազմված են ատոմային միջուկները: Սիգմա-պլյուս (Σ⁺) նման բարիոնների հազվագյուտ տրոհումների ուսումնասիրությունը կարող է ակնարկներ տալ ֆիզիկական գործընթացների մասին, որոնք դուրս են գալիս Ստանդարտ մոդելի՝ ժամանակակից տեսության սահմաններից, որը նկարագրում է հիմնարար մասնիկները և դրանց փոխազդեցությունները:

Հազվագյուտ տրոհումները գրավում են գիտնականների ուշադրությունը, քանի որ դրանք կարող են վկայել անհայտ մասնիկների կամ ուժերի գոյության մասին, որոնք չեն տեղավորվում գոյություն ունեցող տեսության մեջ: Նման բացահայտումները կարևոր են Տիեզերքի առեղծվածները, ներառյալ բարիոնային ասիմետրիան՝ նյութի գերակայությունը հակնյութի նկատմամբ, հասկանալու համար:

Հարցի պատմություն. HyperCP փորձ

Սիգմա-պլյուս (Σ⁺) բարիոնի՝ պրոտոնի և մյուոնային զույգի (մյուոն և հակամյուոն) տրոհման նկատմամբ հետաքրքրությունը ծագել է 2005 թվականին, երբ ԱՄՆ-ի Ֆերմիլաբի HyperCP փորձը գրանցել է նման տրոհման երեք դեպք: Անսովոր էր այն, որ բոլոր երեք դեպքերում մյուոնային զույգի զանգվածը նույնն էր, ինչը հանգեցրել է անհայտ միջանկյալ մասնիկի գոյության վարկածի, որը մասնակցում է գործընթացին:

«Մենք վերլուծել ենք 2016–2018 թվականներին պրոտոն-պրոտոնային բախումների ժամանակ հավաքված տվյալները: Այդ ընթացքում փորձի ընթացքում առաջացել է մոտ հարյուր տրիլիոն Σ-բարիոն, որոնց մեջ մենք փնտրել ենք հազվագյուտ տրոհման հետքեր», - պատմել է Գաբրիելե Մարտելլին Պերուջայի միջուկային ֆիզիկայի ազգային ինստիտուտից:

Այնուամենայնիվ, HyperCP-ում այդ իրադարձությունների բնույթը հաստատելը դժվար էր՝ տվյալների փոքր ծավալի պատճառով: LHCb-ի նոր փորձը դարձել է բեկում, որը թույլ է տվել հավաքել զգալիորեն ավելի մեծ վիճակագրություն:

Σ⁺ տրոհման յուրահատկություն

Սիգմա-պլյուս (Σ⁺) բարիոնը, որը բաղկացած է երկու վերին (u) և մեկ տարօրինակ (s) քվարկերից, ունի համեմատաբար երկար «կյանք»՝ այն կարող է գոյություն ունենալ բավական երկար՝ բախման կետից տասնյակ սանտիմետրեր անցնելու համար: Սա հեշտացնում է դրա հայտնաբերումը, սակայն խնդիր է առաջացնում. այլ մասնիկներ կարող են ստեղծել կեղծ ազդանշաններ, որոնք ընդօրինակում են փնտրվող տրոհումը:

Խանգարումները վերացնելու համար ֆիզիկոսներն օգտագործել են մեքենայական ուսուցման ալգորիթմներ, որոնք թույլ են տվել զտել պատահական մասնիկների համակցությունները և առանձնացնել տրոհման իրական դեպքերը: Արդյունքում գիտնականները գրանցել են Σ⁺-ի՝ պրոտոնի, մյուոնի և հակամյուոնի տրոհման հարյուրավոր դեպքեր՝ դարձնելով այն երբևէ դիտարկված ամենահազվագյուտ բարիոնային տրոհումը:

Ի՞նչ ցույց տվեցին արդյունքները

Տվյալների վերլուծությունը ցույց է տվել, որ Σ⁺ տրոհման հավանականությունն ու բնութագրերը համապատասխանում են Ստանդարտ մոդելի կանխատեսումներին, ինչը բացառում է HyperCP փորձում ենթադրված անոմալիաները: Սա նշանակում է, որ անհայտ միջանկյալ մասնիկի մասին վարկածը դեռևս չի հաստատվել:

«Այժմ մենք կարող ենք համեմատել այս գործընթացի հավանականությունն ու հատկությունները Ստանդարտ մոդելի կանխատեսումների հետ», - բացատրել է Կալյարիի համալսարանի պրոֆեսոր Ֆրանչեսկո Դետտորին: - «Պատմականորեն հենց հազվագյուտ տրոհումներն են օգնել բացահայտել նոր մասնիկներ՝ շատ ավելի վաղ, քան արագացուցիչները կարող էին դրանք ուղղակիորեն ստեղծել»:

Այնուամենայնիվ, Ստանդարտ մոդելից շեղումների բացակայությունը չի նվազեցնում բացահայտման կարևորությունը: Այն հաստատում է տեսական կանխատեսումների բարձր ճշգրտությունը և բացում է ճանապարհ հետագա հետազոտությունների համար:

Հաջորդ քայլը. CP-խախտում և բարիոնային ասիմետրիա

LHCb համագործակցությունը նախատեսում է կենտրոնանալ CP-խախտման՝ մասնիկների և հակամասնիկների վարքի տարբերությունների ուսումնասիրության վրա: Այս երևույթը կարող է բացատրել, թե ինչու է Տիեզերքում գերակայում նյութը, մինչդեռ հակնյութը գրեթե բացակայում է, չնայած Մեծ պայթյունից հետո դրանք պետք է ձևավորվեին հավասար քանակությամբ:

Σ⁺-ի հազվագյուտ տրոհումը եզակի հնարավորություն է տալիս նման հետազոտությունների համար: Եթե ապագայում հայտնաբերվեն Ստանդարտ մոդելի կանխատեսումներից շեղումներ, դա կարող է ակնարկել նոր ֆիզիկական երևույթների մասին, որոնք կօգնեն բացահայտել բարիոնային ասիմետրիայի առեղծվածը:

Հակիրճ…

LHCb համագործակցության բացահայտումը պատմական առաջընթաց է տարրական մասնիկների ֆիզիկայում: Առաջին անգամ գրանցվել է սիգմա-պլյուս (Σ⁺) բարիոնի գերհազվագյուտ տրոհումը՝ պրոտոնի և մյուոնային զույգի վերածվելը, ինչը հնարավոր է դարձել 2016–2018 թվականների պրոտոն-պրոտոնային բախումների տվյալների վերլուծության և մեքենայական ուսուցման օգտագործման շնորհիվ: Թեև արդյունքները համապատասխանում են Ստանդարտ մոդելին, դրանք բացում են նոր հեռանկարներ CP-խախտման և դրանից դուրս ֆիզիկայի ուսումնասիրության համար: Այս ձեռքբերումը ընդգծում է Մեծ Հադրոնային Կոլայդերի հզորությունը և հազվագյուտ գործընթացների կարևորությունը Տիեզերքի կառուցվածքի առեղծվածները բացահայտելու գործում: