CERN'de nadir B-mezon bozunumu gözlemlendi

İsviçre'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda (LHC) görev yapan fizikçiler, güz kuarkı içeren bir parçacığın iki müona bozunduğu süreci ilk kez gözlemledi. LHCb deneyinden elde edilen yeni bulgu, parçacık fiziğinin mevcut standart modelini test etmek ve henüz bilinmeyen doğa kuvvetlerini aramak için yeni bir imkân sunuyor.

Uluslararası araştırma ekibi, LHCb deneyi aracılığıyla milyarlarca küçük parçacığın çarpışmasını inceledi. Fizikçilerin temel amacı, insanı çevreleyen maddeden daha ağır b kuarkları içeren B-mezonlarını araştırmak. Mezonlar, bir madde temel parçacığı ile onun karşı parçacığından oluşan kısa ömürlü yapılar. Bu bileşik parçacıklar yalnızca yaklaşık saniyenin milyonda birinin milyonda biri kadar süre var oluyor, ardından daha hafif parçacıklara bozunuyor.

42 yıllık arayışın sonucu

Yeni veriler, 42 yıl önce başlayan arayışların ardından nötr bir B-mezonun iki müona — elektronların daha ağır kardeşleri — bozunduğu bir olayı ortaya çıkardı. Mevcut en iyi fizik çerçevesi olan standart modele göre bu tür olaylar, güz kuarkı içeren her on milyar parçacıkta yalnızca bir kez yaşanıyor. Bugüne dek hiçbir deney bu bozunum sürecine dair net kanıt sunamamıştı.

Fizikçiler, 2024 ve 2025 yıllarında toplanan yeni verileri 2011-2018 arasında kaydedilen çarpışmalarla birleştirdi. Araştırma ekibi, milyarlarca olay arasından olaya işaret eden sinyali makine öğrenmesi ve yeni algoritmalar yardımıyla ayırdı.

Veri toplamada LHCb dedektöründeki iyileştirmelerin rolü büyük oldu; dedektör artık parçacık çarpışmalarını öncekiyle karşılaştırıldığında beş kat daha yüksek sıklıkta yakalıyor. Sistemin en önemli parçalarından biri, demetlerden yalnızca beş milimetre uzaklıkta bulunan silikon piksel dedektörü. Bu cihaz, bilim insanlarının parçacıkların oluştuğu ve müonlara dönüştüğü noktayı milimetrenin çok küçük bir kesri hassasiyetle görmesine yardımcı oluyor.

"Zeptoevren"e açılan pencere

LHCb çalışma grubunun başkanı Chris Parkes, tespit edilen sürecin parçacık fiziğinde istisnai olduğunu belirtti. Parkes bu sıklığı, bir kişinin ilk denemede dünyadaki tüm insanlar arasından ideal partnerini bulmasına benzetti. Parkes'a göre mevcut bulgu, gelecekte daha da küçük ölçeklerden daha hassas veri toplanmasının yolunu açıyor.

Yeni sonuçlar, bilim insanlarına boyutları milimetrenin milyarda biri mertebesinde kalan "zeptoevren" hakkında ipuçları veriyor. Fizikçiler bu mesafelerde henüz bilinmeyen parçacıkları ve doğa kuvvetlerini bulmayı umuyor. Bir süreç ne kadar nadirse, henüz keşfedilmemiş fizik kurallarının etkilerine o kadar duyarlı hale geliyor.

Birmingham Üniversitesi araştırmacısı ve LHCb'nin çok nadir süreçler çalışma grubunun toplantı yürütücüsü Niladri Sahoo, B-mezonunun ömrü konusunda dünyanın en hassas sonuçlarına ulaştıklarını belirtti. Ekip ayrıca bu parçacığın daha hafif parçacıklara ne sıklıkta bozunduğuna dair bir olasılık da buldu. Sahoo'ya göre bu kanıt, standart model için güçlü bir sınav oluşturuyor ve henüz bilinmeyen fizik yasalarının aranmasına zemin hazırlıyor.

Projenin eş bilim sorumlusu Conor Fitzpatrick, fizikçilerin bu belirli olayı dünya çapında 40 yılı aşkın süredir aradığını söyledi. Fitzpatrick bunu, yeni fiziğin etkisini mevcut bilginin ötesinde görmeye yardımcı olan "altın bozunum kanalı" olarak nitelendirdi.

Fizikçiler standart modelin eksik olduğunu biliyor; zira mevcut kurallar yerçekimini kapsayamıyor, karanlık madde ile karanlık enerjinin kökenini açıklayamıyor ve evrende neden anti-maddeden yüz milyonlarca kat fazla madde bulunduğu sorusuna yanıt veremiyor.

Araştırmacılar yine de yeni bulguyu yalnızca ön kanıt olarak görüyor; çünkü tespit edilen bozunum sayısı olayı kesin olarak doğrulamak için henüz yetersiz. Mevcut sonuç 3,2 sigma düzeyinde istatistiksel önem taşıyor. Bu, sinyalin kabaca 1400 durumdan birinde saf tesadüf olduğu anlamına geliyor. Bu oran örneğin sosyal bilimlerde güçlü bir sonuç sayılabilecekken parçacık fiziğinde yetersiz kalıyor.

Keşfin ilan edilmesi için istatistiksel önemin beş sigmaya ulaşması gerekiyor; bu durumda boş sinyal olasılığı yaklaşık 3,5 milyonda bire (yüzde 0,00003) düşüyor ve istatistiksel tesadüf neredeyse tamamen eleniyor. Fizikçiler çıtayı böylesine yüksek tutuyor, çünkü Büyük Hadron Çarpıştırıcısı saniyede milyarlarca parçacık çarpışması üretiyor ve veri hacmi bu denli büyüdüğünde rastgele gürültü kaçınılmaz olarak üç sigmayı aşan sahte sinyaller üretiyor.

Yenilenen LHCb deneyi 2030'lu yılların başına kadar yeni veri toplamaya devam edecek. Bilim insanları bir sonraki büyük yenilemeyi planlıyor; bu adım on kat daha fazla veri toplanmasına imkân verecek ve parçacık süreçlerinin gelecekte daha kısa mesafelerde, daha yüksek hassasiyetle incelenmesini sağlayacak.