Մեծ հադրոնային բախիչի (ՄՀԲ) LHCb փորձի ֆիզիկոսները հայտնաբերել են տարրական մասնիկների ֆիզիկայում հայտնի ամենահազվագյուտ պրոցեսներից մեկի ապացույցները։ Խոսքը Bd մեզոնի՝ մյուոնի և հակամյուոնի տրոհման մասին է. մի իրադարձություն, որը, ըստ տեսական հաշվարկների, տեղի է ունենում b-կվարկ պարունակող մասնիկների մոտավորապես 10 միլիարդ տրոհումից միայն մեկ անգամ։ Այս պրոցեսի որոնումների վրա գիտնականները ծախսել են ավելի քան 40 տարի։

Արդյունքները ներկայացվել են CERN-ում կայացած սեմինարին։ Սա առաջին դեպքն է, երբ առանձին փորձին հաջողվել է բավականաչափ տվյալներ հավաքել՝ ստանալու նման հազվագյուտ տրոհման վիճակագրորեն նշանակալի ապացույցներ։ Առայժմ խոսքը հայտնագործության վերջնական հաստատման մասին չէ, սակայն արդյունքը ֆիզիկոսներին մոտեցնում է այնպիսի պրոցեսների ուսումնասիրությանը, որոնք կարող են մատնանշել անհայտ մասնիկների գոյությունը, պատմում է Science Daily-ն։

Հազվագյուտ տրոհումը՝ որպես նոր ֆիզիկայի որոնման միջոց

Հետազոտության օբյեկտը Bd մեզոնն է, որը բաղկացած է b-կվարկից («գեղեցիկ» կվարկ) և d-հակակվարկից։ Հայտնաբերված պրոցեսի ընթացքում այս մասնիկը տրոհվում է մյուոնների զույգի՝ դրական և բացասական լիցքավորված մասնիկների, որոնք նման են էլեկտրոններին, սակայն զգալիորեն ծանր են։

Նման տրոհումների առանձնահատկությունն այն է, որ դրանց հավանականության վրա կարող են ազդել այլ մասնիկներ, նույնիսկ եթե դրանք չափազանց ծանր են Մեծ հադրոնային բախիչում ուղղակիորեն ստեղծվելու համար։ Ըստ քվանտային տեսության՝ նման մասնիկներն ընդունակ են մասնակցելու միջանկյալ պրոցեսներին և անուղղակի հետքեր թողնելու չափումների արդյունքներում։

Այդ պատճառով ֆիզիկոսները ուշադիր ուսումնասիրում են ծայրահեղ հազվագյուտ տրոհումները. եթե պրոցեսի փորձարարական հաճախությունը տարբերվում է տեսության կանխատեսումներից, դա կարող է մատնանշել անհայտ փոխազդեցություններ կամ նոր մասնիկներ։

Bd → μ⁺μ⁻ տրոհումը պատկանում է Ստանդարտ մոդելից (հիմնական տեսությունից, որը նկարագրում է հայտնի տարրական մասնիկներն ու դրանց փոխազդեցությունները) դուրս գտնվող ֆիզիկայի որոնման այսպես կոչված «ոսկե ուղիներին»։ Որքան ճշգրիտ են գիտնականները չափում նման իրադարձության հավանականությունը, այնքան մեծ են տեսական հաշվարկներից շեղումներ հայտնաբերելու հնարավորությունները։

Ինչու որոնումների վրա պահանջվեց ավելի քան 40 տարի

Ֆիզիկոսներն արդեն ուսումնասիրել էին նմանատիպ մի պրոցես՝ այլ՝ Bs մեզոնի մասնակցությամբ։ 2015 թվականին LHCb և CMS փորձերի համատեղ վերլուծությունը թույլ տվեց առաջին անգամ հաստատել Bs → μ⁺μ⁻ տրոհումը։ Հենց այդ ժամանակ էլ հայտնվեցին ավելի հազվագյուտ Bd տրոհման նախնական ապացույցները։

Այնուամենայնիվ, հետագա հետազոտությունները, որոնք ներառում էին մինչև 2018 թվականը հավաքված տվյալները, չկարողացան հաստատել այդ նախնական արդյունքները։

Տարբերությունն այս երկու պրոցեսների միջև զգալի է։ Bs-ի տրոհումը տեղի է ունենում b-կվարկ պարունակող մասնիկների յուրաքանչյուր մեկ միլիարդ տրոհումից մոտ երեք անգամ։ Bd-ի մասնակցությամբ պրոցեսը մոտ 30 անգամ ավելի հազվադեպ է, ինչից էլ բխում է դրա գրանցման հսկայական բարդությունը։

Ազդանշանը հայտնաբերելու համար հետազոտողները ստիպված են լինում բառացիորեն առանձնացնել իրենց հետաքրքրող եզակի իրադարձությունները մասնիկների բախումների ժամանակ առաջացող հսկայական քանակությամբ այլ պրոցեսներից։

Թարմացված դետեկտորն ու մեքենայական ուսուցումն օգնել են հայտնաբերել ազդանշանը

Կարևոր դեր խաղաց LHCb փորձի արդիականացումը։ Թարմացումից հետո դետեկտորը 2024 թվականին սկսեց տվյալներ հավաքել հինգ անգամ ավելի բարձր հաճախությամբ, քան 2010–2018 թվականներին։ Բացի այդ, բարելավվել են տարբեր մասնիկների ճանաչման նրա հնարավորությունները։

Հետազոտողները նոր տեխնիկական հնարավորությունները համալրել են մեքենայական ուսուցման մեթոդներով։ Ալգորիթմներն օգնել են տարբերել մյուոնների առաջացմամբ հազվագյուտ իրադարձությունները բազմաթիվ ֆոնային պրոցեսներից, որոնք կարող էին թաքցնել որոնվող ազդանշանը։

19 գիտնականներից բաղկացած միջազգային թիմը միավորել է 2024 և 2025 թվականների տվյալները։ Ստացված վիճակագրական նշանակալիությունը կազմել է 3,0 ստանդարտ շեղում։ 2011–2018 թվականների նախորդ չափումների արդյունքներն ավելացնելուց հետո ցուցանիշն աճել է մինչև 3,2։

Հետազոտական խմբի ղեկավարներից մեկի՝ Մարկո Սանտիամարիայի խոսքով՝ տրոհման հայտնաբերումը պահանջել է բացառիկ ճշգրիտ աշխատանք. անհրաժեշտ է եղել մյուոններից եկող ազդանշաններն առանձնացնել այլ իրադարձությունների հսկայական զանգվածի ֆոնին։

Ինչու սա դեռևս հայտնագործություն չէ

Տարրական մասնիկների ֆիզիկայում արդյունքի հուսալիությունը գնահատելու համար օգտագործում են վիճակագրական մեծություն՝ ստանդարտ շեղումների թիվը կամ սիգման։ Այն ցույց է տալիս, թե որքան քիչ հավանական է դիտվող ազդանշանը ստանալ պատահական վիճակագրական տատանումների արդյունքում։

Երեք սիգմայի շեմը համարվում է բավարար նոր երևույթի ապացույցների մասին հայտարարելու համար։ Այն դեպքում հավանականությունը, որ պատահական տատանումները կտան նույնքան ուժեղ կամ ավելի արտահայտված ազդանշան, կազմում է մոտ 0,3%։

Սակայն հայտնագործության լիարժեք հաստատման համար ֆիզիկոսներից պահանջվում է հասնել հինգ սիգմայի։ LHCb-ի նոր արդյունքը դեռևս չի համապատասխանում այս չափանիշին. 3,2 սիգման թույլ է տալիս խոսել հազվագյուտ տրոհման ապացույցների, այլ ոչ թե դրա վերջնական փորձարարական հաստատման մասին։

Նույն հետազոտության շրջանակներում գիտնականները ստացել են նաև Bs → μ⁺μ⁻ տրոհման մինչ օրս ամենաճշգրիտ չափումները։ Սա թույլ կտա ավելի լավ համեմատել երկու պրոցեսների հատկությունները և ստուգել տեսական կանխատեսումները։

Ինչ կտան բախիչի ապագա արդիականացումները

Նման հետազոտությունների համար հաջորդ կարևոր փուլը Բարձր պայծառության մեծ հադրոնային բախիչի (HiLumi LHC) արդիականացված տարբերակի գործարկումն է, որը նախատեսված է 2030 թվականին։ Հաջորդ տասնամյակի կեսերին ենթադրվում է նաև LHCb փորձի հերթական մասշտաբային թարմացումը։

Ընդհանուր առմամբ, այս փոփոխությունները կարող են տվյալների հավաքագրման արագությունն ավելացնել ևս տասը անգամ։ Որքան շատ բախումներ հաջողվի ուսումնասիրել, այնքան շատ հազվագյուտ տրոհումներ կկարողանան գրանցել ֆիզիկոսները, և այնքան ավելի ճշգրիտ կլինեն նրանց չափումները։

Սա հատկապես կարևոր է այնպիսի մասնիկների որոնման համար, որոնք անհնար է ուղղակիորեն ստանալ գոյություն ունեցող արագացուցիչներում։ Դրանց ազդեցությունը կարող է դրսևորվել միայն Ստանդարտ մոդելի հաշվարկներից հազվագյուտ պրոցեսների հավանականությունների փոքր շեղումներում։

Ինչպես նշել է LHCb-ի հազվագյուտ տրոհումների ուղղության համակարգող Հարի Քլիֆը, ներկայիս արդյունքը նոր հնարավորություններ է բացում բախիչի ուղղակի փորձարարական հնարավորություններից դուրս գտնվող ֆիզիկայի ուսումնասիրության համար։ Հետագա արդիականացումը թույլ կտա դիտարկել զգալիորեն ավելի շատ նման իրադարձություններ։

Չորս տասնամյակ տևած որոնումներից հետո գիտնականները վերջապես ստացել են Bd → μ⁺μ⁻ տրոհման համոզիչ ապացույցներ։ Այժմ գլխավոր խնդիրն է կուտակել բավականաչափ տվյալներ՝ պահանջվող ճշգրտությամբ այն հաստատելու համար։ Սա ինքնին դեռևս չի նշանակում նոր ֆիզիկայի հայտնաբերում, սակայն հետազոտողներին է տալիս դրա որոնման առավել զգայուն գործիքներից մեկը։