In de wereld van elementaire deeltjes, sporen van een potentiële "nieuwe fysica" kunnen worden verborgen in processen die verband houden met het verval van baryonen. Analyse van gegevens van het LHCb-experiment bij de Large Hadron Collider, uitgevoerd door wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, heeft, echter, toonde aan dat een van de zeldzaamste vervalsingen van baryonen die de charm-quark tot nu toe bevatten, geen afwijkingen vertoont.

Baryonen, dat zijn samengestelde deeltjes gemaakt van drie quarks, kan vervallen tot lichtere deeltjes. Dit soort verval treedt meestal indirect op via de tussentoestand (resonant). Soms, echter, het verval verloopt direct in één stap (niet-resonant). Het standaardmodel voorspelt dat sommige niet-resonante baryonverval uiterst zeldzaam is - afhankelijk van het type baryon, ze zouden eens per miljard gevallen moeten voorkomen, of zelfs minder vaak.

"Als de frequentie van sommige niet-resonante vervalsingen anders zou zijn dan voorspeld door het standaardmodel, het zou kunnen wijzen op het bestaan ​​van processen en deeltjes die nog niet bekend zijn, en wijzen op het bestaan ​​van 'nieuwe fysica'. Dit is de reden waarom niet-resonant verval onze aandacht zo lang heeft getrokken, " legt prof. Mariusz Witek uit van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau.

Prof. Witek leidde een vijfkoppige groep natuurkundigen uit Krakau die op zoek waren naar niet-resonant verval van gecharmeerde baryon Lambda c in gegevens die in 2011 en 2012 werden verzameld door het internationale LHCb-experiment in de Large Hadron Collider in Genève.

In de studie, de onderzoekers concentreerden zich op Lambda c baryonen, d.w.z. deeltjes gemaakt van dons (d), up (u) en charm (c) quarks. De meest massieve top (t)-quark vervalt zo snel dat hij helemaal niet combineert met andere quarks, dus het creëert geen baryonen, waarvan het verval kon worden waargenomen. Het verval van deeltjes met de op een na grootste quark in termen van massa, de schoonheid (b) quark, is al eerder geanalyseerd, omdat hun verval iets gemakkelijker te detecteren was. De groep van Krakau was hierbij betrokken en droeg bij aan de waarneming van interessante afwijkingen van theoretische voorspellingen. In deze situatie, alleen het verval van gecharmeerde baryonen bleef grotendeels onontgonnen.

"Het standaardmodel voorspelt dat niet-resonant verval van Lambda c-baryonen in drie deeltjes - een proton en twee muonen - min of meer een keer in honderden miljarden verval zou moeten voorkomen. Dit is een veel zeldzamer fenomeen dan het verval van baryonen die de schoonheidsquark bevatten , die we eerder hebben geanalyseerd, " zegt Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN). "Metingen en analyses zijn nu veel moeilijker. We moeten kijken naar een veel grotere groep gebeurtenissen die zijn geregistreerd in het LHCb-experiment. Echter, het is de moeite waard om te doen, want als beloning kun je een spoor van veel subtielere processen tegenkomen. Als het ons lukt om inconsistenties met voorspellingen waar te nemen, dit zou hoogstwaarschijnlijk een signaal zijn van een 'nieuwe fysica'."

Met zulke zeldzame verschijnselen, het onderscheiden van niet-resonant verval van Lambda c baryonen van de achtergrond is een moeilijke en tijdrovende taak gebleken. Niettemin, de op Krakau gebaseerde natuurkundigen zijn erin geslaagd om een ​​bovengrens voor de frequentie van niet-resonante vervalsing tot 100 keer te verbeteren. Het werd geschat op minder dan één op de honderden miljoenen.

"Het in aanmerking nemen van aanvullende gegevens, inclusief de tweede run van de LHC-versneller, zou ons resultaat binnenkort met een factor 10 moeten verbeteren. We zouden dus heel dicht bij de voorspellingen van het standaardmodel zitten. Als een soort van 'nieuwe fysica' zich manifesteert in het verval van Lambda c baryonen, dit zal de laatste kans zijn om zichzelf te openbaren. Momenteel, er is niet het minste spoor van, " vat prof. Witek samen.

Tijdens de analyses de in Krakau gevestigde onderzoekers observeerden ook resonant verval, waarin het Lambda c-baryon verviel in een proton en omega-meson. Het ontbreken van signalen die wijzen op nog een ander pad van resonant verval - in een proton en een rho-meson - was enigszins verrassend. Echter, dit resultaat bleek in lijn met de theoretische voorspellingen.