42 ஆண்டுகாலத் தேடலுக்குப் பிறகு அரிய B மீசான் சிதைவுக்கான ஆதாரத்தை கண்டறிந்த LHCb

பில்லியன் கணக்கான துகள் சிதைவுகளில் ஒரு கணநேரச் சமிக்ஞை

2024 மற்றும் 2025ஆம் ஆண்டுகளில் சேகரிக்கப்பட்ட மோதல் தரவுகளைப் பயன்படுத்தி, நடுநிலை B மீசான் இரண்டு மியூவான்களாகச் சிதைவதற்கான முதல் ஆதாரத்தைத் தனியொரு பரிசோதனையில் கண்டறிந்துள்ளதாக CERN-இன் LHCb பரிசோதனை தெரிவித்துள்ளது. முந்தைய அளவீடுகளுடன் இணைத்தபோது, இந்தச் சமிக்ஞையின் புள்ளியியல் முக்கியத்துவம் 3.2 திட்ட விலகல்களை எட்டுகிறது. இது ஆதாரமாகக் கருதப்படுவதற்குப் போதுமானது; ஆனால் ஒரு கண்டுபிடிப்பாக அறிவிக்க இயற்பியலாளர்கள் கோரும் வரம்பை எட்டவில்லை.

2026ஆம் ஆண்டு LHCb ஒத்துழைப்புக் குழுவின் நவம்பர் 3 அறிவிப்பில் வெளியிடப்பட்ட இந்த முடிவு, 1984இல் தொடங்கிய தேடலை முன்னெடுத்துச் செல்கிறது. இந்தச் சிதைவு B0 → μ+μ− என எழுதப்படுகிறது; Bd → μ+μ− என்றும் அழைக்கப்படுகிறது. அடிப்படைக் குவார்க் அல்லது எதிர்க்குவார்க் கொண்ட ஒரு துகள், ஒரு மியூவானாகவும் அதன் எதிர்த்துகளாகவும் மாறுகிறது.

அறியப்பட்ட அடிப்படைத் துகள்களையும் அவற்றின் இடைவினைகளையும் விவரிக்கும் கோட்பாடான நிலையான மாதிரி, ஒவ்வொரு 10 பில்லியன் B0 மீசான் சிதைவுகளிலும் தோராயமாக ஒரு முறை இத்தகைய சிதைவு நிகழும் எனக் கணிக்கிறது. இவ்வளவு அரிதாக நிகழ்வதே இந்தச் செயல்முறையைப் பயனுள்ளதாக்குகிறது: இதுவரை கண்டறியப்படாத ஒரு துகள், இதன் நிகழ்தகவைத் துல்லியமான பரிசோதனை கவனிக்கும் அளவுக்கு மாற்றக்கூடும்.

தொடர்புடைய Bs0 → μ+μ− சிதைவின் நிகழ்தகவு மற்றும் செயல்திறன் ஆயுட்காலம் குறித்த தங்களின் மிகத் துல்லியமான அளவீடுகளையும் LHCb தெரிவித்துள்ளது. இரு முடிவுகளும் நிலையான மாதிரியுடன் ஒத்துப்போகின்றன. ஏற்கெனவே அறியப்பட்ட துகள்களுக்கு அப்பால் புதிய துகள்கள் இருப்பதாக முன்வைக்கும் கோட்பாடுகளை இன்னும் துல்லியமாகச் சோதிக்க இந்த முடிவுகள் ஆராய்ச்சியாளர்களுக்கு உதவுகின்றன.

சரியாக எது மறைகிறது?

B மீசான்கள் குவார்க் மற்றும் எதிர்க்குவார்க்கால் ஆன, குறுகிய ஆயுட்காலம் கொண்ட துகள்கள். B0 மற்றும் Bs0 ஒரே குடும்பத்தைச் சேர்ந்தவை; ஆனால் அவற்றின் இலகுவான குவார்க் கூறுகள் வேறுபடுகின்றன: ஒன்றில் டவுன் வகைக் குவார்க்கும் மற்றொன்றில் ஸ்ட்ரேஞ்ச் வகைக் குவார்க்கும் இடம்பெறுகின்றன. அவற்றின் இந்த வேறுபட்ட அமைப்பு, அவை ஒரு ஜோடி மியூவான்களை உருவாக்கும் நிகழ்வின் அடிக்கடியை மாற்றுகிறது.

மியூவான் என்பது எலக்ட்ரானைப் போன்ற, ஆனால் அதைவிட அதிக நிறையுடைய அடிப்படைத் துகள். இந்தச் சிதைவுகளில் உருவாகும் இரண்டு மியூவான்களும் எதிரெதிர் மின்சுமைகளைக் கொண்டுள்ளன. அவற்றின் தடங்களை ஆராய்ச்சியாளர்கள் தேடுவதுடன், அவற்றின் அளவிடப்பட்ட பண்புகளைப் பயன்படுத்தி அவற்றை உருவாக்கிய துகளின் நிறையையும் மீள்கணக்கிடுகின்றனர்.

ஒவ்வொரு பில்லியன் சிதைவுகளிலும் சுமார் மூன்று முறை Bs0 சிதைவு நிகழும் என நிலையான மாதிரி கணிக்கிறது. இது B0 செயல்முறையைவிடத் தோராயமாக 30 மடங்கு அதிகம். கிளைப் பின்னங்கள் எனப்படும் இந்த நிகழ்தகவுகள், ஒரு குறிப்பிட்ட வகை மீசான்களில் எந்தப் பங்கு ஒரு குறிப்பிட்ட சிதைவுப் பாதையைப் பின்பற்றுகிறது என்பதை விவரிக்கின்றன. பெரும்பாலான B மீசான்கள் வேறு பாதைகளில் மறைவதால், தேடப்படும் சமிக்ஞை மிக அதிக எண்ணிக்கையிலான பிற துகள்களுக்கு இடையே புதைந்துவிடுகிறது.

இது ஏன் ஆதாரமாகக் கருதப்படுகிறது

2024 மற்றும் 2025ஆம் ஆண்டுகளின் தரவுகளை மட்டும் பயன்படுத்தி, LHCb மூன்று திட்ட விலகல்கள் கொண்ட முக்கியத்துவத்தைக் கண்டறிந்தது. பெரிய ஹாட்ரான் மோதுவியின் முந்தைய செயல்பாட்டுக் காலங்களான Run 1 மற்றும் Run 2 தரவுகளைச் சேர்த்தபோது, அந்த அளவு 3.2 ஆக உயர்ந்தது.

பின்னணி நிகழ்வுகள் மட்டுமே காரணம் என்ற விளக்கத்துடன் ஒப்பிடும்போது, தரவுகள் ஒரு சமிக்ஞையை எந்த அளவுக்குத் தெளிவாக ஆதரிக்கின்றன என்பதைப் புள்ளியியல் முக்கியத்துவம் அளவிடுகிறது. இந்த எண்ணிக்கை அதிகமாக இருந்தால், பின்னணியில் ஏற்படும் சீரற்ற ஏற்ற இறக்கம் அதே அளவு வியப்பூட்டும் முடிவைத் தருவதற்கான வாய்ப்பு குறைவு. துகள் இயற்பியலாளர்கள் பொதுவாக மூன்று திட்ட விலகல்களை ஆதாரத்திற்கான வரம்பாகவும், ஐந்து திட்ட விலகல்களை ஒரு கண்டுபிடிப்பிற்கான வரம்பாகவும் பயன்படுத்துகின்றனர்.

ஒத்துழைப்புக் குழுவின் விளக்கம் திட்டமிட்டுத் துல்லியமாக உள்ளது: B0 → μ+μ− சிதைவுக்கான ஆதாரம் ஒரு தனிப் பரிசோதனையிலிருந்து முதன்முறையாகக் கிடைத்துள்ளது. 2015இல் LHCb மற்றும் CMS இணைந்த பகுப்பாய்வு ஏற்கெனவே ஆதாரம் தெரிவித்திருந்தது; ஆனால் பின்னர் நடந்த பகுப்பாய்வுகள் அந்த முந்தைய அறிகுறியை உறுதிப்படுத்தவில்லை.

புதிய அளவீடு, புதிய தரவுத் தொகுப்பின் மூலம் இந்தத் தேடலை மீண்டும் ஆதார வரம்புக்கு மேல் கொண்டுவந்துள்ளது. அடுத்த புள்ளியியல் இலக்கு ஐந்து திட்ட விலகல்கள். அதை எப்போது எட்டும் என LHCb தெரிவிக்கவில்லை.

1984 முதல் 2026 வரை நீளும் தேடல்

பல தலைமுறைப் பரிசோதனைகளில் இந்த அரிய சிதைவுகளை ஆராய்ச்சியாளர்கள் தேடி வந்துள்ளனர். அதிகம் நிகழும் Bs0 செயல்முறை முதலில் கண்டுபிடிப்பு வரம்பை எட்டியது; அது மிகவும் கடினமான B0 தேடலுக்கு அடித்தளமிட்டது.

• 1984: B0 → μ+μ− சிதைவுக்கான தேடல் தொடங்கியது.
• நவம்பர் 2012: Bs0 → μ+μ− சிதைவுக்கான ஆதாரத்தை 3.5 திட்ட விலகல்களுடன் LHCb அறிவித்தது.
• மே 2015: LHCb மற்றும் CMS இணைந்த பகுப்பாய்வு, Bs0 சிதைவை 6.2 திட்ட விலகல்களுடன் கண்டுபிடித்ததுடன், B0 சிதைவுக்கான ஆரம்ப அறிகுறியையும் தெரிவித்தது.
• பிப்ரவரி 2017: Bs0 சிதைவை 7.8 திட்ட விலகல்களுடன் LHCb தனியாகக் கண்டறிந்தது.
• 2018 வரை சேகரிக்கப்பட்ட தரவுகளைப் பயன்படுத்திய அடுத்தடுத்த பகுப்பாய்வுகள், முந்தைய B0 அறிகுறியை உறுதிப்படுத்தவில்லை.
• 2024 மற்றும் 2025: அண்மைய பகுப்பாய்வில் பயன்படுத்தப்பட்ட புதிய தரவுகளை LHCb சேகரித்தது.
• நவம்பர் 3, 2026: புதிய தரவுத் தொகுப்பில் மூன்று திட்ட விலகல்களுடனும், முந்தைய செயல்பாட்டுக் காலங்களின் தரவுகளுடன் இணைத்தபோது 3.2 திட்ட விலகல்களுடனும் B0 சிதைவுக்கான ஆதாரத்தை LHCb அறிவித்தது.

ஆதாரத்தையும் கண்டுபிடிப்பையும் ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஏன் கவனமாக வேறுபடுத்துகிறார்கள் என்பதை இந்த வரலாறு விளக்குகிறது. நம்பிக்கையளிக்கும் சமிக்ஞைக்கு மேலும் தரவுகள் தேவை; பிற்கால அளவீடுகள் அதை வலுப்படுத்தலாம் அல்லது ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்ட வரம்புக்குக் கீழே கொண்டு செல்லலாம்.

மியூவான் ஜோடிகளை கண்டுபிடிக்கும் கருவி

2010–2018 காலத்தில் எட்டிய வேகத்தைவிட சுமார் ஐந்து மடங்கு வேகத்தில் LHCb-இன் மேம்படுத்தப்பட்ட கருவி தரவுகளைச் சேகரிக்கிறது. ஒவ்வொரு 10 பில்லியன் B0 சிதைவுகளிலும் ஒருமுறை மட்டுமே நிகழும் என எதிர்பார்க்கப்படும் செயல்முறைக்கு, பயன்படுத்தக்கூடிய மோதல்களை அதிகமாகப் பதிவு செய்வது அவசியம்.

வெர்டெக்ஸ் லொக்கேட்டர் (VELO) எனப்படும் கருவி, துகள்கள் எங்கு உருவாகின, எங்கு சிதைந்தன என்பதைக் கண்டறிய உதவுகிறது. லிவர்பூல் பல்கலைக்கழகத்தால் அமைக்கப்பட்ட இந்தக் கருவி, LHC கற்றைக்கு வெறும் ஐந்து மில்லிமீட்டர் தொலைவில் இயங்குகிறது. இதன் துல்லியமான தடமறிதல், ஒரு நொடியின் மிகச் சிறிய பகுதி மட்டுமே உயிர்வாழும் துகள்களின் சிதைவுப் புள்ளிகளைக் கண்டறிய ஆராய்ச்சியாளர்களுக்கு உதவுகிறது.

ஒத்த தடங்களை அல்லது துகள்களின் சேர்க்கைகளை உருவாக்கும் பல்வேறு பின்னணி நிகழ்வுகளிலிருந்து நம்பிக்கையளிக்கும் மியூவான் ஜோடிகளைப் பிரித்தறிய இயந்திரக் கற்றல் உதவுகிறது. பின்னர், ஒவ்வொரு ஜோடியின் மாறாத நிறையை ஆராய்ச்சியாளர்கள் கணக்கிடுகின்றனர். மியூவான்களின் ஆற்றல் மற்றும் உந்தத்திலிருந்து கணக்கிடப்படும் இந்த அளவு, அவற்றின் தாய் துகளின் நிறையைக் கண்டறிய உதவும்.

நிறைப் பரவலில் Bs0 சிதைவுகளின் பங்களிப்பு தெளிவாகவும், அதைவிடக் குறைந்த B0 நிறையில் சிறிய பங்களிப்பும் காணப்படுகிறது. ஒவ்வொரு வகையிலும் எத்தனை சிதைவுகள் உள்ளன என்பதை மதிப்பிட, இந்தச் சமிக்ஞைகளையும் பின்னணியையும் LHCb ஒருங்கிணைத்துப் பகுப்பாய்வு செய்கிறது.

B0 துகள்கள் அதிகமாக உருவாவது ஒரு பயனுள்ள சாதகமாகும். LHCb-இன் கூற்றுப்படி, மோதுவி ஒவ்வொரு Bs0 மீசானுக்கும் சுமார் நான்கு B0 மீசான்களை உருவாக்குகிறது. ஒவ்வொரு B0 துகளும் இரண்டு மியூவான்களாகச் சிதைவதற்கான வாய்ப்பு சுமார் 30 மடங்கு குறைவாக இருந்தாலும், அதன் அதிக எண்ணிக்கை காரணமாக நிகழ்வுகளின் எதிர்பார்க்கப்படும் எண்ணிக்கைகளுக்கு இடையிலான வேறுபாடு சுமார் ஏழு மடங்காகக் குறைகிறது. போதுமான பெரிய தரவுத் தொகுப்பில் அரிதான செயல்முறையை எவ்வாறு கண்டறிய முடிகிறது என்பதை இந்த ஒப்பீடு விளக்குகிறது.

அறியப்படாத துகள்களைப் பற்றி இந்த முடிவு கூறுவது என்ன?

இரு சிதைவுகளின் நிகழ்தகவுகளுக்கும் நிலையான மாதிரி துல்லியமான கணிப்புகளை வழங்குகிறது. இந்தச் செயல்முறையைப் பாதிக்கும் புதிய துகள்களை அறிமுகப்படுத்துவதன் மூலம், விரிவாக்கப்பட்ட கோட்பாடுகள் அந்தக் கணிப்புகளை மாற்றக்கூடும். அந்தத் துகள்கள் கருவியில் நேரடியாகக் காணக்கூடிய பொருள்களாக உருவாகாவிட்டாலும் இது நிகழலாம்.

கூடுதல் ஹிக்ஸ் போசான்கள், Z′ வெக்டர் போசான்கள் மற்றும் லெப்டோகுவார்க்குகள் ஆகியவற்றை LHCb எடுத்துக்காட்டுகளாகக் குறிப்பிடுகிறது. கோட்பாட்டின் வெவ்வேறு விரிவாக்கங்களில் முன்மொழியப்பட்ட துகள்கள் இவை. குறிப்பிட்ட மோதல் பரிசோதனையால் நேரடியாக எட்ட முடியாத ஆற்றல்களில் நிகழும் இயற்பியலை மறைமுகமாகத் தேடுவதற்கு, அரிய சிதைவுகளில் இத்துகள்கள் ஏற்படுத்தக்கூடிய தாக்கம் வழிவகுக்கிறது.

இந்தப் பரிசோதனையை நடத்தி, பகுப்பாய்வை மேற்கொண்ட LHCb ஒத்துழைப்புக் குழு, அண்மைய அளவீடுகளை இவ்வாறு விவரித்தது:

இன்று அறிவிக்கப்பட்ட முடிவுகள், நிலையான மாதிரியுடன் ஒத்துப்போகின்றன; இந்தப் புதிய மாதிரிகள் இருக்கக்கூடிய அளவுருப் பகுதியை இன்னும் துல்லியமாக வரையறுக்கின்றன

இதன் நடைமுறை விளைவு, முன்மொழியப்பட்ட துகள்களின் நிறைகளும் இடைவினை வலிமைகளும் பரிசோதனையுடன் ஒத்துப்போகும் சேர்க்கைகளின் எண்ணிக்கையைக் குறைப்பதாகும். இரு கிளைப் பின்னங்களையும் இணைத்து LHCb மேற்கொண்ட பகுப்பாய்வில், நிலையான மாதிரியின் கணிப்பு 68.27% நம்பகத்தன்மைப் பகுதிக்குள் உள்ளது. இது அளவீட்டின் நிச்சயமின்மையை வெளிப்படுத்தும் வரம்பாகும்.

ஆயுட்காலத்தை அளவிடுவது ஏன் மேலும் ஒரு சோதனையைச் சேர்க்கிறது

மியூவான் ஜோடிகளாகச் சிதையும் Bs0 மீசான்களின் செயல்திறன் ஆயுட்காலத்தையும் LHCb அளவிட்டது. Run 1, Run 2 மற்றும் Run 3 தரவுகளை இணைத்து, 1.60 ± 0.16 ± 0.01 பைக்கோவினாடிகள் எனக் கணித்தது. இது நிலையான மாதிரியின் கணிப்புடன் ஒத்துப்போகிறது.

ஒரு பைக்கோவினாடி என்பது ஒரு நொடியில் ஒரு டிரில்லியனில் ஒரு பங்கு. முதல் நிச்சயமின்மை, அளவீட்டின் புள்ளியியல் வரம்புகளைக் குறிக்கிறது; இரண்டாவது, அளவீடு செய்யப்படும் முறையுடன் தொடர்புடைய முறைமை சார்ந்த விளைவுகளைக் குறிக்கிறது. புள்ளியியல் நிச்சயமின்மை மிகவும் பெரியதாக இருப்பது, கூடுதல் தரவுகள் ஏன் பயனுள்ளதாக இருக்கலாம் என்பதை காட்டுகிறது.

தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட Bs0 மாதிரியில் சிதைவுகள் நிகழும் நேரத்தைச் செயல்திறன் ஆயுட்காலம் விவரிக்கிறது. நிலையான மாதிரியின் சில முன்மொழியப்பட்ட விரிவாக்கங்கள், இரண்டு மியூவான்களை உருவாக்கும் மொத்த நிகழ்தகவை ஏறத்தாழ மாற்றாமல் வைத்துக்கொண்டு, காலப்போக்கில் அந்தச் சிதைவுகள் எவ்வாறு பகிர்ந்துள்ளன என்பதை மாற்றக்கூடும். எனவே, சிதைவுகளின் எண்ணிக்கையை மட்டும் கணக்கிடுவதைவிட அவற்றின் நிகழ்வடிக்கையையும் நேரத்தையும் அளவிடுவது கூடுதல் சாத்தியங்களைச் சோதிக்கிறது.

B0 மற்றும் Bs0 கிளைப் பின்னங்களின் விகிதம் மற்றொரு ஒப்பீட்டை வழங்குகிறது. ஒரு கோட்பாடு, இரு செயல்முறைகளின் தனித்தனி நிகழ்வு விகிதங்களுடன் அவற்றுக்கு இடையிலான தொடர்பையும் விளக்க வேண்டும். LHCb-இன் அண்மைய முடிவுகள் இந்தத் தனித்தனி சோதனைகளை ஒரே பகுப்பாய்வில் இணைக்கின்றன.

மிகச் சிறிய அளவுகளில் அடுத்து என்ன?

புதிய முடிவுகளை வெளியீட்டுக்காக LHCb சமர்ப்பித்ததுடன், ஒத்துழைப்புக் குழுவுக்கும் கோட்பாட்டு இயற்பியலாளர்களுக்கும் இடையிலான பயிலரங்கைத் தொடங்கி வைத்த CERN கருத்தரங்கிலும் அவற்றை முன்வைத்தது. B0 சமிக்ஞையை கண்டுபிடிப்பு வரம்பை நோக்கி நகர்த்தவும், அதன் நிகழ்தகவை இன்னும் துல்லியமாக அளவிடவும் போதுமான கூடுதல் ஆதாரங்களைச் சேகரிப்பதே உடனடி பரிசோதனைப் பணியாகும்.

அடுத்த பத்தாண்டின் நடுப்பகுதியில் LHCb-இல் மேற்கொள்ளப்படும் மேலும் ஒரு மேம்படுத்தல், தரவுச் சேகரிப்பு வேகத்தை மீண்டும் ஒரு பரிமாண அளவுக்கு, அதாவது சுமார் பத்து மடங்கு, உயர்த்தக்கூடும் என ஒத்துழைப்புக் குழு தெரிவித்துள்ளது. இதன் மூலம் இரு அரிய சிதைவுகளையும் பயன்படுத்தி இன்னும் கடுமையான சோதனைகளை மேற்கொள்ள முடியும்.

இத்தகைய துல்லியமான அளவீடுகள் மூலம் ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஆய்வு செய்ய விரும்பும் மிகச் சிறிய தொலைவுகளைக் குறிக்க ‘செப்டோவர்ஸ்’ என்ற சொல் பயன்படுத்தப்படுகிறது. ஒரு செப்டோமீட்டர் என்பது ஒரு மீட்டரின் பில்லியனில் ஒரு பில்லியனில் ஆயிரத்தில் ஒரு பங்கு. மிகச் சிறிய தொலைவுகள் மற்றும் உயர் ஆற்றல்களுடன் தொடர்புடைய விளைவுகளை ஆராய்வதற்கு அரிய சிதைவுகள் மறைமுகப் பாதையை வழங்குகின்றன.

நிலையான மாதிரிக்கு அப்பால் தேடுவதற்கான பரந்த நோக்கங்களாக இருண்ட பொருளும், பிரபஞ்சத்தில் எதிர்ப்பொருளைவிடப் பொருள் அதிகமாக இருப்பதன் தோற்றமும் உள்ளன. இங்கு அறிவிக்கப்பட்ட கண்டுபிடிப்பு இன்னும் குறிப்பானது: ஏற்கெனவே உள்ள கோட்பாடு கணிக்கும் ஓர் அரிய சிதைவு ஆதார வரம்பை எட்டியுள்ளது; அதன் அளவிடப்பட்ட நடத்தை, மாற்றுக் கோட்பாடுகளுக்கான வரம்புகளை ஆராய்ச்சியாளர்கள் மேலும் இறுக்கமாக்க உதவுகிறது.

முக்கிய குறிப்புகள்

• 1984இல் தொடங்கிய தேடலைத் தொடர்ந்து, B0 → μ+μ− சிதைவுக்கான ஆதாரத்தைத் தனியொரு பரிசோதனையில் முதன்முறையாகக் கண்டறிந்துள்ளதாக LHCb தெரிவித்தது.
• 2024 மற்றும் 2025ஆம் ஆண்டுகளின் தரவுகள் மூன்று திட்ட விலகல்களை எட்டுகின்றன; முந்தைய செயல்பாட்டுக் காலங்களின் தரவுகளைச் சேர்த்தால் முக்கியத்துவம் 3.2 ஆக உயர்கிறது.
• ஒவ்வொரு 10 பில்லியன் B0 சிதைவுகளிலும் தோராயமாக ஒரு முறை இச்சிதைவு நிகழும் என நிலையான மாதிரி கணிக்கிறது.
• புதிய சிதைவு அளவீடுகள் நிலையான மாதிரியுடன் ஒத்துப்போகின்றன; கூடுதல் துகள்கள் இருப்பதற்கான அனுமதிக்கப்பட்ட சாத்தியங்களையும் குறுக்குகின்றன.
• தொடர்புடைய Bs0 சிதைவின் செயல்திறன் ஆயுட்காலத்தை 1.60 ± 0.16 ± 0.01 பைக்கோவினாடிகள் என LHCb அளவிட்டது.
• B0 சிதைவை ஒரு கண்டுபிடிப்பாக அறிவிக்க ஐந்து திட்ட விலகல்கள் இன்னும் இலக்காக உள்ளன.