Fizikusok megtalálták a zeptoverzum kapuját: Szenzációs felfedezés a CERN-ben

A Cambridge-i Egyetem kutatói vezette nemzetközi fizikuscsoport megtalálta a bizonyítékot az egyik legritkább szubatomi részecskelebomlásra,...

A Cambridge-i Egyetem kutatói vezette nemzetközi fizikuscsoport megtalálta a bizonyítékot az egyik legritkább szubatomi részecskelebomlásra, amelyet valaha megfigyeltek.

Ez a mérföldkőnek számító tudományos eredmény kaput nyithat egy eddig ismeretlen, titokzatos világra, amelyet a kutatók csak zeptoverzumnak neveznek. Ebben a hihetetlenül parányi dimenzióban olyan új, eddig rejtőzködő részecskék létezhetnek, amelyek kulcsfontosságú választ adhatnak a modern kozmológia legnagyobb rejtélyeire, köztük a sötét anyag természetére vagy arra, hogyan jött létre a létező anyag az ősrobbanás pillanatában. (1)

A genfi CERN-ben működő Nagy Hadronütköztető (LHC) nemrégiben korszerűsített LHCb kísérletén dolgozó kutatócsoport az úgynevezett "beauty" (szép) kvarkokat tanulmányozta. Ezek a különleges részecskék az atomi anyagot felépítő fel és le kvarkok egzotikus, jóval nagyobb tömegű unokatestvérei.

A szép kvarkok világa a múlandóságáról ismert: keletkezésük után mindössze a másodperc másfél billiomod részéig léteznek, mielőtt instabillá válnának és elbomlanának. A fizikusok számára azonban éppen ez a bomlási folyamat jelenti a legértékesebb információforrást. A lebomlás mikéntje ugyanis képes feltárni a természet működését az egészen elképesztő, a méter milliárdod részének milliárdod részénél is kisebb távolságskálákon.

A most bemutatott eredmények egy rendkívül ritka folyamatot dokumentálnak, amely során a szép kvarkból álló részecske két még kisebb részecskévé, úgynevezett müonokká alakul át. A folyamat ritkaságát jól illusztrálja, hogy ez a fajta átalakulás, amelyet a szaknyelv "Bd–mu-mu" lebomlásként ismer, átlagosan mindössze minden tízmilliárdodik szép kvark esetében következik be. Emiatt a jelenség kimutatása és izolálása eddig szinte a lehetetlennel volt egyenlő, és a fizika történetében most először sikerült egyetlen önálló kísérletben közvetlen bizonyítékot találni rá.

A felfedezést jegyző Cambridge-i Cavendish Laboratórium történelmi helyszín a modern fizika számára, hiszen itt fedezték fel az első szubatomi részecskét, az elektront 1897-ben, majd később, 1932-ben a neutront is. Miközben azonban a múlt század úttörői még magát az atomot és annak közvetlen alkotóelemeit vizsgálták, a mai fizikusok már az atom méreténél tízmilliárdszor kisebb távolságokat szondáznak az LHC segítségével.

A Nagy Hadronütköztető jelenlegi formájában képes a valóság szerkezetét egészen száz zeptométeres nagyságrendig vizsgálni, ami több ezerszer kisebb egyetlen emberi hajszál szélességénél. Mivel az LHC közvetlenül még nem talált a Standard Modellen túli új részecskéket, a kutatók arra gyanakodnak, hogy azok még rövidebb távolságokon, a tényleges zeptoverzumban rejtőznek, amely a méter milliárdod részének a billiomod része.

Az Egyesült Királyság, Németország, Olaszország, Spanyolország és Hollandia mintegy húsz fizikusából álló kutatócsoport az LHCb detektort egyfajta kvantummechanikai mikroszkópként használta, hogy mélyebbre lásson, mint amit a gyorsító közvetlenül felbontani képes.

A természetben alapvetően elő nem forduló, de az LHC nagy energiájú ütközéseiben tömegesen keletkező szép kvarkok bomlási útvonalainak precíz mérésével ugyanis kimutatható az olyan hipotetikus részecskék közvetett hatása is, amelyek túl aprók vagy túl nehezek ahhoz, hogy közvetlenül megjelenjenek a detektorokban.

Minél ritkább egy lebomlás, annál érzékenyebben reagál ezekre a külső, ismeretlen kvantumos hatásokra. A részecskefizika Standard Modellje szerint a szép kvark és a hozzá tartozó antikvark megsemmisülése, majd müonpárra való bomlása rendkívül bonyolult kölcsönhatásokon keresztül megy végbe, ezért alapvetően elhanyagolható a valószínűsége.

Ha azonban a zeptoverzum rejtett részecskéi léteznek, azok alternatív utat biztosíthatnak a folyamatnak, ami mérhetően megváltoztatja a bomlás gyakoriságát. Emiatt a fizikusok már 1984 óta, vagyis több mint négy évtizede keresik ezt a bizonyos "aranycsatornát".

A áttörést végül az LHCb kísérlet 2024-ben befejezett nagyszabású hardveres modernizációja tette lehetővé. A 2024-ben és 2025-ben összegyűjtött hatalmas mennyiségű új adat, valamint a részecskék pontosabb megkülönböztetésére alkalmas új technológia megteremtette a feltételeket a sikerhez.

A kutatók fejlett gépi tanulási algoritmusokat és mesterséges intelligenciát hívtak segítségül, hogy kiszűrjék azt az óriási mennyiségű háttérzajt, amely korábban elnyomta ezeket a rendkívül halvány, ritka jeleket. Amikor a friss adatokat kombinálták a 2011 és 2018 között gyűjtött korábbi mérésekkel, a jel statisztikai szignifikanciája elérte a 3,2 szigma szintet. Ez átlépte a tudományos világban elfogadott "három szigma" küszöbértéket, ami hivatalosan is elegendő bizonyítékot jelent egy új természeti jelenség létezésének igazolásához.

Bár a most kapott eredmények egyelőre pontosan megegyeznek a Standard Modell előrejelzéseivel, a felfedezés mégis létfontosságú iránymutatást ad a jövőre nézve. Segít szűkíteni a kört, hogy milyen típusú új részecskékre számíthatnak a kutatók, amikor az évszázad második felében üzembe áll az LHC tervezett utódja.

Ezt megelőzően, a 2030-as évek közepén egy újabb jelentős fejlesztés vár a genfi komplexumra, amely egy teljes nagyságrenddel növeli majd az adatgyűjtési sebességet. Ez a jövőbeli növekedés a mostanihoz hasonló felfedezéseket precíziós mérőeszközökké alakítja át, amelyekkel a fizikusok szisztematikusan kereshetnek repedéseket a Standard Modellen, hogy végre megpillanthassák, mi rejtőzik a mikrovilág legmélyebb, eddig feltérképezetlen rétegeiben. (2)

(1) - https://arxiv.org/abs/2611.00230
(2) - https://www.cam.ac.uk/stories/zeptoverse