Fizikçiler 40 yılı aşkın aramanın ardından B⁰ mezonunun çok nadir bozunmasına dair kanıt buldu

CERN'deki fizikçiler, parçacık fiziğinin en zor yakalanan olaylarından birine dair kanıt elde ettiklerini bildirdi. Söz konusu olay, B⁰ mezonunun bir müon ile bir karşıt müona bozunması. Bu bozunma ilk kez 1984'te kuramsal olarak öngörülmüştü ve o günden beri deneycilerin gündeminde duruyordu. Sonuçlar, bir ön baskı sunucusunda yayımlanan yeni bir makalede ayrıntılı biçimde anlatılıyor.

Ne ölçüldü?

Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda B⁰ ve B⁰ₛ mezonları sık sık görülüyor ve bunlar çok çeşitli parçacıklara dönüşebiliyor. Ancak bazı bozunma yolları son derece seyrek. Mezonun içindeki güzellik kuarkının, aşağı tipi bir kuarkla birbirini yok etmesi ve geriye bir müon ile karşıt müon çifti kalması bunların başında geliyor. Müonlar elektronlara benzeyen parçacıklar; bu yüzden olay, ürün olarak yalnızca iki müonun görüldüğü çok temiz ama çok nadir bir süreç olarak tarif ediliyor.

Standart Model'in tahminlerine göre B⁰ mezonunun bu yolla bozunması on milyar bozunmada yalnızca yaklaşık 1,03 kez gerçekleşiyor. B⁰ₛ mezonunda ise oran milyarda yaklaşık 3,66. Bu iki müonlu bozunmaların kuramsal öngörüleri nispeten hassas olduğundan, Standart Model'i sınamak için değerli birer ölçüt sayılıyorlar.

Sonuçlar ne diyor?

B⁰ₛ bozunması daha önce de gözlenmişti. Önce güncellenmiş LHCb ile Kompakt Müon Selenoidi (CMS) deneylerinin ortak analizinde, ardından 2017'de LHCb'de kesinleşmişti. Daha seyrek olan B⁰ bozunması için ortak bir kanıt bildirilmiş, fakat sonraki analizlerde doğrulanamamıştı.

Bu kez LHCb dedektöründe 2024–2025 döneminde kaydedilen proton çarpışmaları devreye girdi. Yeni veriler, önceki LHCb ölçümleriyle birleştirildi. Yalnızca yeni veriye bakıldığında B⁰ → μ⁺μ⁻ için tek bir deneyden elde edilen ilk kanıt 3,0 standart sapma düzeyine ulaştı. Eski LHCb verileriyle birlikte değerlendirildiğinde bu anlamlılık 3,2'ye yükseldi.

Birleşik veriler B⁰ için on milyarda yaklaşık 1,14'lük bir bozunma oranına işaret ediyor, ancak belirsizlik hâlâ büyük. B⁰ₛ için ise milyarda yaklaşık 3,25'lik bir oran bulundu ve bu, söz konusu oranın dünyadaki en hassas ölçümü olarak sunuluyor. Ekip ayrıca B⁰ₛ'nin müon çiftine bozunması için etkin ömrü 1,60 ± 0,16 pikosaniye olarak belirledi. Etkin ömür, kararsız bir parçacığın bozunmadan önce ortalama ne kadar var olduğunu ifade ediyor ve bu ölçümde sistematik belirsizlik çok daha küçük kaldı.

Arka plan

Mezonlar, bir kuark ile bir karşıt kuarkın bir araya gelmesiyle oluşan kararsız parçacıklardır. B mezonları, ağır kuarklardan biri olan güzellik kuarkını içerdikleri için fizikçilerin yakından izlediği bir parçacık ailesidir. Standart Model, bilinen temel parçacıkları ve bunlar arasındaki etkileşimleri anlatan kuramdır ve bugüne kadar çok sayıda deneyde başarıyla sınanmıştır. Yine de kuramın her şeyi açıklamadığı, örneğin kara maddeyi kapsamadığı biliniyor; bu nedenle araştırmacılar kuramdan küçük sapmalar arıyor.

Nadir bozunmalar bu arayışta özel bir yer tutar. Standart Model'de çok seyrek gerçekleşen bir süreç, henüz keşfedilmemiş ağır parçacıkların katkısıyla belirgin biçimde artabilir ya da azalabilir. Bu yüzden ölçülen oran kuramsal tahminle karşılaştırılır ve en küçük tutarsızlık yeni fiziğin ipucu olabilir. Bilimde "standart sapma" ise bir sonucun rastlantıyla ortaya çıkma olasılığını anlatan bir ölçüdür. Sayı büyüdükçe sonucun tesadüf olma ihtimali küçülür.

Neden önemli?

Araştırmacılar, elde edilen tüm sonuçların Standart Model tahminleriyle uyumlu olduğunu ve yeni bir fiziğe işaret etmediğini belirtiyor. Bu da kuramın, bu hassas sınamadan da geçtiği anlamına geliyor. Ancak ideal istatistiksel anlamlılık beş standart sapma kabul ediliyor; 3,2 bu eşiğin biraz altında kalıyor. Dolayısıyla B⁰ bozunması için henüz kesin bir keşiften değil, güçlü bir kanıttan söz ediliyor. Yine de bu, deneysel açıdan önemli bir dönüm noktası olarak değerlendiriliyor.

Bundan sonraki adım daha fazla veri toplamak. Gelecekte elde edilecek çarpışma verileri B⁰ bozunmasını daha sağlam biçimde ortaya koyabilir ve ölçülen sıklığın belirsizliğini daraltabilir. Oran kuramsal değerden saparsa bu, Standart Model'in ötesinde bir fiziğe giden yolda önemli bir işaret olabilir. Şimdilik tablo, kuramın tahminlerinin deneyle örtüşmeye devam ettiğini gösteriyor.