Forskere har for første gang observert signalet fra en svært sjelden prosess der en skjønnkvark blir til to myoner. Forfallet skjer ifølge beregningene bare én gang per ti milliarder skjønnkvarker, og ble registrert i LHCb-eksperimentet ved CERN etter en omfattende oppgradering.

Resultatet har en statistisk signifikans på 3,2 sigma. Det er lavere enn grensen på 5 sigma som vanligvis kreves for å kalle et resultat en stor oppdagelse innen fysikken. Målingene er samtidig i tråd med Standardmodellen, men videre undersøkelser kan vise om det finnes tegn til nye partikler eller naturkrefter.

Fant signalet etter en oppgradering

LHCb er et såkalt fremoverrettet spektrometer. I motsetning til ATLAS- og CMS-detektorene, som leter etter tegn i alle retninger, konsentrerer LHCb seg om det fremre området langs strålelinjen. Eksperimentet undersøker særlig hvordan skjønn- og sjarmkvarker oppfører seg og henfaller.

Skjønnkvarker er tyngre enn opp- og nedkvarker og produseres i stort antall i Large Hadron Collider. De eksisterer imidlertid bare i rundt ett og et halvt billiondels sekund før de henfaller.

Forskere ved University of Manchester har deltatt i oppgraderingen av LHCb i mer enn 15 år. Den oppgraderte versjonen kan samle inn data med fem ganger så høy hastighet som tidligere.

En viktig del av Storbritannias bidrag var Vertex Locator, en silisiumbasert piksel-detektor som er plassert bare fem millimeter fra partikkelstrålene. Detektoren gjør det mulig å fastslå mer presist hvor partikler blir produsert, og hvor de henfaller.

Et forfall som nesten aldri skjer

Teamet identifiserte forfallet «Bd to mu mu», der en skjønnkvark henfaller til to myoner. Myoner ligner på elektroner, men har større masse.

Det er anslått at prosessen bare skjer én gang per ti milliarder skjønnpartikler. Derfor er det ikke overraskende at den ikke har blitt observert tidligere, selv om forskere har arbeidet med slike målinger i flere tiår.

«Dette forfallet er bemerkelsesverdig usannsynlig; sjansen for at det skjer, er omtrent som å dra på en romantisk date og på første forsøk finne den ene perfekte matchen blant alle mennesker på jorden», sa Chris Parkes, leder for institutt for fysikk og astronomi ved University of Manchester. Han deltok også i oppgraderingen av LHCb-eksperimentet.

Svært presise målinger av skjønnkvark-forfall kan gjøre det mulig å oppdage påvirkning fra partikler som er for små eller svake til å bli registrert direkte i LHC. Sjeldne forfall kan være spesielt følsomme for slik påvirkning.

Vil undersøke «zeptoverse»

Resultatet åpner for videre forskning på avstander helt ned mot en zeptometer. Det tilsvarer en milliarddels billiondels meter, og området omtales som «zeptoverse».

Forskerne håper at framtidige målinger kan gi informasjon om partikler og naturkrefter som Standardmodellen ikke forklarer. De nåværende resultatene viser imidlertid ikke slik ny fysikk.

«Resultatene fra dette eksperimentet utvider vår forståelse av naturen på det mest grunnleggende nivået», sa Conor Fitzpatrick, stedfortredende fysikkkoordinator for LHCb-samarbeidet, i en pressemelding. «Vi er glade for endelig å ha sett dette unnvikende signalet, og ser fram til framtidige oppdagelser som vil komme fra dataene våre.»

Det oppgraderte eksperimentet skal samle inn data fram til begynnelsen av 2030-årene. En ytterligere oppgradering kan øke datainnsamlingen med ytterligere en størrelsesorden og gi forskerne mer kunnskap om partikler og krefter på zeptometerskalaen.