Bij CERN's Large Hadron Collider (LHC) stellen studies van zeldzame processen wetenschappers in staat om de aanwezigheid af te leiden van zware deeltjes, inclusief onontdekte deeltjes, die niet direct kunnen worden geproduceerd. Van dergelijke deeltjes wordt algemeen aangenomen dat ze buiten het standaardmodel bestaan, en zouden kunnen helpen bij het verklaren van enkele van de raadsels van het universum, zoals het bestaan ​​van donkere materie, de massa's van neutrino's (ongrijpbare deeltjes waarvan oorspronkelijk werd gedacht dat ze massaloos waren) en de materie van het universum. antimaterie asymmetrie.

Een zo'n proces is het zeldzame verval van neutrale B-mesonen tot een muon- en antimuonpaar:de zwaardere neef van het elektron gecombineerd met het bijbehorende antideeltje. Er zijn twee soorten neutrale B-mesonen:De B ⁰ meson bestaat uit een beauty-antiquark en een down-quark, terwijl voor de B_s meson wordt de down-quark vervangen door een vreemde quark. Als er geen nieuwe deeltjes zijn die dit zeldzame verval beïnvloeden, hebben onderzoekers voorspeld dat slechts één op de 250 miljoen B_s mesonen vervallen tot een muon-antimuonpaar; voor de B ⁰ meson, het proces is nog zeldzamer, met slechts één op de 10 miljard.

Wetenschappers zijn al sinds de jaren tachtig op zoek naar experimentele bevestiging van dit verval. Pas onlangs, in 2014, was de eerste waarneming van de B_s tot muonverval gerapporteerd in een gecombineerde analyse van gegevens die zijn verzameld door de LHCb- en CMS-samenwerkingen, later bevestigd door de ATLAS-, CMS- en LHCb-experimenten afzonderlijk. Echter, de B ⁰ verval ontgaat nog steeds elke poging om het waar te nemen.

Met behulp van gegevens van Run 2 van de LHC heeft het CMS-experiment een nieuwe studie vrijgegeven van de vervalsnelheid en de levensduur van de B_s meson-verval, evenals een zoekopdracht naar de B ⁰ verval. De nieuwe studie, gepresenteerd op de International Conference on High Energy Physics (ICHEP), profiteert niet alleen van een grote hoeveelheid geanalyseerde gegevens, maar ook van geavanceerde machine learning-algoritmen die de zeldzame vervalgebeurtenissen onderscheiden van de overweldigende achtergrond van gebeurtenissen geproduceerd door miljoenen van deeltjesbotsingen per seconde.

De resultaten onthulden een zeer duidelijk signaal van de B_s meson vervalt tot een muon-antimuon paar. De precisie van de meting van de vervalsnelheid overtreft die bereikt in eerdere metingen in andere experimenten.

Zowel de waargenomen B_s vervalsnelheid, gevonden op 3,8 ± 0,4 delen in een miljard, en de levensduurmeting van 1,8 ± 0,2 picoseconde (een picoseconde is een biljoenste van een seconde), liggen zeer dicht bij de waarden die worden voorspeld door het standaardmodel.

Wat betreft de B ⁰ verval, hoewel uit deze resultaten geen bewijs werd gevonden, kunnen natuurkundigen met 95% statistische zekerheid stellen dat de vervalsnelheid minder is dan 1 deel op 5 miljard.

In de afgelopen jaren zijn een aantal anomalieën waargenomen in andere zeldzame B-mesonverval, met discrepanties tussen de theoretische voorspellingen en de gegevens, wat wijst op het mogelijke bestaan ​​van nieuwe deeltjes. Het nieuwe CMS-resultaat ligt veel dichter bij theoretische voorspellingen dan deze andere zeldzame vervalsingen en zou wetenschappers dus kunnen helpen de aard van de anomalieën te begrijpen.

Zeldzame B-mesonverval blijft van groot belang voor wetenschappers. Met de B_s verval van meson tot muon stevig verankerd en met hoge precisie gemeten, richten wetenschappers zich nu op de ultieme prijs:de B ⁰ verval. Met de verwachte grote datasets van LHC Run 3 hopen ze de eerste glimp op te vangen van dit uiterst zeldzame proces en meer te weten te komen over de raadselachtige anomalieën. + Verder verkennen

Nieuwe LHCb-analyse levert nog steeds intrigerende resultaten op