LHCb พบหลักฐานการสลายตัวที่หายากของมีซอน B หลังการค้นหานาน 42 ปี

สัญญาณชั่วครู่ท่ามกลางการสลายตัวของอนุภาคนับพันล้านครั้ง

การทดลอง LHCb ที่ CERN รายงานหลักฐานชิ้นแรกจากการทดลองเดียวสำหรับการสลายตัวที่พบได้ยากอย่างยิ่งของมีซอน B ที่เป็นกลางเป็นมิวออนสองตัว โดยใช้ข้อมูลการชนที่เก็บรวบรวมในปี 2024 และ 2025 เมื่อนำไปรวมกับผลการวัดก่อนหน้า สัญญาณนี้มีนัยสำคัญทางสถิติ 3.2 ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน ซึ่งเพียงพอที่จะเรียกว่าเป็นหลักฐาน แต่ยังไม่ถึงเกณฑ์ที่นักฟิสิกส์กำหนดสำหรับการยืนยันการค้นพบ

ผลดังกล่าวประกาศในการ ประกาศเมื่อวันที่ 3 พฤศจิกายน ของความร่วมมือ LHCb ในปี 2026 นับเป็นความก้าวหน้าของการค้นหาที่เริ่มขึ้นในปี 1984 การสลายตัวนี้เขียนเป็น B0 → μ+μ− หรือเรียกอีกอย่างว่า Bd → μ+μ− โดยเปลี่ยนอนุภาคที่ประกอบด้วยควาร์กบอตทอมหรือแอนติควาร์กบอตทอมให้เป็นมิวออนและปฏิอนุภาคของมัน

แบบจำลองมาตรฐาน ซึ่งเป็นทฤษฎีที่อธิบายอนุภาคมูลฐานที่รู้จักและอันตรกิริยาระหว่างอนุภาคเหล่านั้น ทำนายว่าจะเกิดการสลายตัวแบบนี้ประมาณหนึ่งครั้งต่อการสลายตัวของมีซอน B0 ทุก 10,000 ล้านครั้ง ความหายากอย่างยิ่งนี้ทำให้กระบวนการดังกล่าวมีประโยชน์ เพราะอนุภาคที่ยังไม่ถูกค้นพบอาจเปลี่ยนความน่าจะเป็นของการสลายตัวได้มากพอที่การทดลองอันแม่นยำจะตรวจพบ

LHCb ยังรายงานผลการวัดที่แม่นยำที่สุดจนถึงปัจจุบันเกี่ยวกับความน่าจะเป็นและอายุขัยเชิงประสิทธิผลของการสลายตัวที่เกี่ยวข้อง Bs0 → μ+μ− ผลการวัดทั้งสองชุดสอดคล้องกับแบบจำลองมาตรฐาน เมื่อนำมาพิจารณาร่วมกัน ผลเหล่านี้ช่วยให้นักวิจัยทดสอบทฤษฎีที่เสนอว่ามีอนุภาคนอกเหนือจากที่รู้จักอยู่แล้วได้อย่างละเอียดขึ้น

อะไรแน่ที่กำลังสลายตัว?

มีซอน B เป็นอนุภาคอายุสั้นที่ประกอบด้วยควาร์กและแอนติควาร์ก B0 และ Bs0 อยู่ในตระกูลเดียวกัน แต่ส่วนประกอบควาร์กที่เบากว่าต่างกัน โดยชนิดหนึ่งเกี่ยวข้องกับควาร์กดาวน์ ส่วนอีกชนิดเกี่ยวข้องกับควาร์กสเตรนจ์ องค์ประกอบที่ต่างกันนี้ส่งผลต่อความถี่ที่อนุภาคทั้งสองจะสร้างมิวออนเป็นคู่

มิวออนเป็นอนุภาคมูลฐานที่คล้ายอิเล็กตรอน แต่มีมวลมากกว่า มิวออนสองตัวในการสลายตัวเหล่านี้มีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกัน นักวิจัยค้นหาแนววิถีของอนุภาคทั้งสองและใช้คุณสมบัติที่วัดได้เพื่อสร้างมวลของอนุภาคต้นกำเนิดขึ้นใหม่

แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่าการสลายตัวของ Bs0 จะเกิดขึ้นประมาณสามครั้งต่อการสลายตัวหนึ่งพันล้านครั้ง หรือบ่อยกว่ากระบวนการ B0 ราว 30 เท่า ความน่าจะเป็นเหล่านี้เรียกว่าอัตราส่วนการแตกแขนง ใช้อธิบายสัดส่วนของมีซอนชนิดหนึ่งที่สลายตัวไปตามเส้นทางที่กำหนด มีซอน B ส่วนใหญ่สลายตัวผ่านเส้นทางอื่น ทำให้สัญญาณที่ต้องการถูกกลบอยู่ท่ามกลางอนุภาคจำนวนมากกว่ามาก

เหตุใดจึงนับเป็นหลักฐาน

LHCb พบค่าความมีนัยสำคัญสามส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานจากข้อมูลชุดปี 2024 และ 2025 เพียงอย่างเดียว เมื่อนำข้อมูลจาก Run 1 และ Run 2 ซึ่งเป็นช่วงการเดินเครื่องก่อนหน้าของเครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider) มารวมด้วย ค่าดังกล่าวเพิ่มเป็น 3.2

นัยสำคัญทางสถิติใช้วัดว่าข้อมูลสนับสนุนการมีสัญญาณมากกว่าคำอธิบายที่อาศัยเพียงสัญญาณพื้นหลังมากเพียงใด ค่าที่สูงขึ้นหมายความว่าโอกาสที่ความผันผวนแบบสุ่มของสัญญาณพื้นหลังจะให้ผลที่โดดเด่นอย่างน้อยเท่านี้มีน้อยลง นักฟิสิกส์อนุภาคมักใช้สามส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานเป็นเกณฑ์สำหรับการเรียกว่าเป็นหลักฐาน และห้าส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานเป็นเกณฑ์สำหรับการยืนยันการค้นพบ

คำอธิบายของความร่วมมือระบุอย่างเจาะจงว่า นี่เป็นหลักฐานชิ้นแรกจากการทดลองเดียวสำหรับ B0 → μ+μ− การวิเคราะห์ร่วมระหว่าง LHCb และ CMS เคยรายงานหลักฐานในปี 2015 แล้ว แต่การวิเคราะห์ในเวลาต่อมาไม่ยืนยันสัญญาณบ่งชี้ก่อนหน้านั้น

การวัดครั้งใหม่นี้ทำให้การค้นหากลับมาเหนือเกณฑ์หลักฐานอีกครั้ง ด้วยข้อมูลชุดใหม่ เป้าหมายทางสถิติขั้นต่อไปคือห้าส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน โดย LHCb ไม่ได้ระบุว่าจะบรรลุเป้าหมายเมื่อใด

การค้นหาที่ดำเนินมาตั้งแต่ปี 1984 ถึง 2026

นักวิจัยติดตามการสลายตัวที่หายากเหล่านี้ผ่านการทดลองหลายรุ่น กระบวนการ Bs0 ซึ่งเกิดบ่อยกว่าบรรลุเกณฑ์การยืนยันการค้นพบก่อน จึงเป็นพื้นฐานสำหรับการค้นหา B0 ที่ยากกว่า

• 1984: เริ่มการค้นหา B0 → μ+μ−
• พฤศจิกายน 2012: LHCb รายงานหลักฐานของ Bs0 → μ+μ− ที่ระดับ 3.5 ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน
• พฤษภาคม 2015: การวิเคราะห์ร่วมระหว่าง LHCb และ CMS ยืนยันการสลายตัวของ Bs0 ที่ระดับ 6.2 ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน และรายงานสัญญาณบ่งชี้เบื้องต้นของการสลายตัวของ B0
• กุมภาพันธ์ 2017: LHCb เพียงการทดลองเดียว ยืนยันการสลายตัวของ Bs0 ที่ระดับ 7.8 ส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน
• การวิเคราะห์ในเวลาต่อมาโดยใช้ข้อมูลที่เก็บถึงปี 2018 ไม่ยืนยันสัญญาณบ่งชี้ก่อนหน้าของ B0
• 2024 และ 2025: LHCb เก็บข้อมูลชุดใหม่ที่ใช้ในการวิเคราะห์ล่าสุด
• 3 พฤศจิกายน 2026: LHCb ประกาศหลักฐานการสลายตัวของ B0 ที่ระดับสามส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานในข้อมูลชุดใหม่ และ 3.2 เมื่อนำไปรวมกับข้อมูลจากการเดินเครื่องครั้งก่อน

ประวัติการค้นหานี้อธิบายว่าเหตุใดนักวิจัยจึงแยกความหมายของ “หลักฐาน” กับ “การยืนยันการค้นพบ” อย่างระมัดระวัง สัญญาณที่น่าสนใจต้องอาศัยข้อมูลเพิ่มเติม และผลการวัดในภายหลังอาจยืนยันสัญญาณให้หนักแน่นขึ้น หรือทำให้ค่าลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่ยอมรับ

เครื่องตรวจจับค้นหาคู่มิวออนได้อย่างไร

เครื่องตรวจจับที่ปรับปรุงใหม่ของ LHCb เก็บข้อมูลได้ในอัตราสูงกว่าช่วงปี 2010–2018 ราวห้าเท่า สำหรับกระบวนการที่คาดว่าจะเกิดเพียงหนึ่งครั้งต่อการสลายตัวของ B0 ทุก 10,000 ล้านครั้ง การบันทึกการชนที่นำมาใช้วิเคราะห์ได้ให้มากขึ้นจึงเป็นสิ่งจำเป็น

เครื่องตรวจจับตำแหน่งยอดแหลม (Vertex Locator) หรือ VELO ช่วยระบุจุดที่อนุภาคเกิดขึ้นและสลายตัว เครื่องตรวจจับนี้ประกอบขึ้นโดยมหาวิทยาลัยลิเวอร์พูล และทำงานห่างจากลำอนุภาคของ LHC เพียงห้ามิลลิเมตร การติดตามแนววิถีอย่างแม่นยำช่วยให้นักวิจัยระบุตำแหน่งที่อนุภาคสลายตัว ทั้งที่อนุภาคเหล่านั้นมีอายุเพียงเศษเสี้ยวเล็กมากของหนึ่งวินาที

การเรียนรู้ของเครื่องช่วยแยกคู่มิวออนที่น่าสนใจออกจากสัญญาณพื้นหลัง ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการอื่นจำนวนมากที่สร้างแนววิถีหรือชุดอนุภาคคล้ายกัน จากนั้นนักวิจัยจะตรวจสอบมวลไม่แปรเปลี่ยนของคู่อนุภาค ซึ่งเป็นค่าที่คำนวณจากพลังงานและโมเมนตัมของมิวออน และใช้ระบุมวลของอนุภาคต้นกำเนิดได้

การกระจายของมวลมีส่วนที่มองเห็นได้จากการสลายตัวของ Bs0 และส่วนที่เล็กกว่าที่มวลต่ำกว่าของ B0 LHCb ปรับเส้นโค้งให้สอดคล้องกับสัญญาณเหล่านี้และสัญญาณพื้นหลัง เพื่อประมาณจำนวนการสลายตัวของแต่ละชนิด

การเกิด B0 มีข้อได้เปรียบที่เป็นประโยชน์ ตามข้อมูลของ LHCb เครื่องชนอนุภาคผลิตมีซอน B0 ได้ประมาณสี่ตัวต่อมีซอน Bs0 หนึ่งตัว แม้ B0 แต่ละตัวมีโอกาสสลายตัวเป็นมิวออนสองตัวน้อยกว่าราว 30 เท่า แต่จำนวนที่มากกว่าทำให้ความแตกต่างของจำนวนเหตุการณ์ที่คาดไว้ลดเหลือประมาณเจ็ดเท่า การเปรียบเทียบนี้ช่วยอธิบายว่ากระบวนการที่หายากกว่าจะตรวจพบได้อย่างไรเมื่อมีข้อมูลมากเพียงพอ

ผลการทดลองบอกอะไรเกี่ยวกับอนุภาคที่ยังไม่รู้จัก

แบบจำลองมาตรฐานให้คำทำนายที่แม่นยำสำหรับความน่าจะเป็นของการสลายตัวทั้งสองแบบ ทฤษฎีที่ขยายแบบจำลองนี้อาจเปลี่ยนคำทำนายดังกล่าวด้วยการเสนออนุภาคที่ส่งผลต่อกระบวนการสลายตัว แม้เครื่องตรวจจับจะไม่ได้เห็นอนุภาคเหล่านั้นเกิดขึ้นโดยตรงก็ตาม

LHCb ยกตัวอย่างโบซอนฮิกส์เพิ่มเติม โบซอนเวกเตอร์ Z′ และเลปโตควาร์ก ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีการเสนอไว้ในส่วนขยายทฤษฎีรูปแบบต่าง ๆ อิทธิพลที่อนุภาคเหล่านี้อาจมีทำให้การสลายตัวที่หายากเป็นหนทางค้นหาฟิสิกส์ทางอ้อมที่พลังงานสูงเกินกว่าการทดลองชนอนุภาคหนึ่ง ๆ จะเข้าถึงได้โดยตรง

ความร่วมมือ LHCb ซึ่งดำเนินการทดลองและวิเคราะห์ข้อมูล อธิบายผลการวัดล่าสุดไว้ดังนี้:

ผลการทดลองที่ประกาศในวันนี้สอดคล้องกับแบบจำลองมาตรฐาน และช่วยจำกัดขอบเขตพารามิเตอร์ที่แบบจำลองใหม่เหล่านี้อาจเป็นไปได้ให้แคบลงได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น

ผลในทางปฏิบัติคือการจำกัดชุดค่ามวลของอนุภาคที่เสนอและความแรงของอันตรกิริยาที่สอดคล้องกับการทดลองให้แคบลง ในการวิเคราะห์ร่วมของ LHCb เกี่ยวกับอัตราส่วนการแตกแขนงทั้งสอง แบบจำลองมาตรฐานอยู่ภายในบริเวณความเชื่อมั่น 68.27% ซึ่งเป็นช่วงที่แสดงความไม่แน่นอนของผลการวัด

เหตุใดการวัดอายุขัยจึงเป็นการทดสอบอีกแบบ

LHCb ยังวัดอายุขัยเชิงประสิทธิผลของมีซอน Bs0 ที่สลายตัวเป็นคู่มิวออน เมื่อนำข้อมูลจาก Run 1, Run 2 และ Run 3 มารวมกัน ได้ค่า 1.60 ± 0.16 ± 0.01 พิโควินาที ซึ่งสอดคล้องกับคำทำนายของแบบจำลองมาตรฐาน

หนึ่งพิโควินาทีเท่ากับหนึ่งในล้านล้านของวินาที ความไม่แน่นอนตัวแรกแสดงข้อจำกัดทางสถิติของการวัด ส่วนตัวที่สองครอบคลุมผลเชิงระบบที่เกี่ยวข้องกับวิธีการวัด ความไม่แน่นอนทางสถิติมีค่ามากกว่ามาก แสดงให้เห็นว่าเหตุใดข้อมูลเพิ่มเติมจึงมีประโยชน์

อายุขัยเชิงประสิทธิผลอธิบายช่วงเวลาการสลายตัวของกลุ่มตัวอย่าง Bs0 ที่คัดเลือกไว้ ส่วนขยายแบบจำลองมาตรฐานบางแบบที่มีการเสนออาจทำให้ความน่าจะเป็นรวมของการเกิดมิวออนสองตัวแทบไม่เปลี่ยน แต่เปลี่ยนการกระจายของการสลายตัวตามเวลา ดังนั้นการวัดทั้งความถี่และช่วงเวลาจึงทดสอบความเป็นไปได้ได้มากกว่าการนับจำนวนการสลายตัวเพียงอย่างเดียว

อัตราส่วนระหว่างอัตราส่วนการแตกแขนงของ B0 และ Bs0 เป็นการเปรียบเทียบอีกแบบหนึ่ง ทฤษฎีที่เสนอขึ้นต้องอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างกระบวนการทั้งสอง รวมถึงอัตราของแต่ละกระบวนการด้วย ผลล่าสุดของ LHCb นำการตรวจสอบแยกกันเหล่านี้มารวมไว้ในการวิเคราะห์เดียว

ก้าวต่อไปของการสำรวจสเกลที่เล็กที่สุด

LHCb ส่งผลการทดลองชุดใหม่เพื่อตีพิมพ์ และนำเสนอในงานสัมมนาที่ CERN ซึ่งเปิดการประชุมเชิงปฏิบัติการระหว่างความร่วมมือกับนักฟิสิกส์ทฤษฎี ภารกิจเร่งด่วนของการทดลองคือเก็บข้อมูลเพิ่มเติมให้มากพอเพื่อผลักดันสัญญาณ B0 ไปสู่เกณฑ์การยืนยันการค้นพบ และวัดความน่าจะเป็นของการสลายตัวให้แม่นยำขึ้น

ความร่วมมือระบุว่า การปรับปรุง LHCb อีกครั้งในช่วงกลางทศวรรษหน้าอาจเพิ่มอัตราการเก็บข้อมูลขึ้นอีกหนึ่งลำดับขั้น หรือประมาณสิบเท่า ซึ่งจะรองรับการทดสอบที่เข้มข้นขึ้นโดยใช้การสลายตัวที่หายากทั้งสองแบบ

คำว่า “เซปโตเวิร์ส” (Zeptoverse) ใช้อธิบายระยะทางที่เล็กอย่างยิ่งซึ่งนักวิจัยหวังจะศึกษาโดยอาศัยการวัดที่แม่นยำระดับนี้ หนึ่งเซปโตเมตรเท่ากับหนึ่งในพันล้านล้านล้านเมตร การสลายตัวที่หายากเป็นช่องทางทางอ้อมในการศึกษาผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับระยะทางที่เล็กมากและพลังงานสูง

สสารมืดและที่มาของสสารส่วนเกินเหนือปฏิสสารในเอกภพยังคงเป็นแรงจูงใจในวงกว้างสำหรับการค้นหาฟิสิกส์ที่อยู่นอกแบบจำลองมาตรฐาน แต่ข้อค้นพบที่ประกาศในครั้งนี้มีขอบเขตแคบและชัดเจนกว่า นั่นคือการสลายตัวที่หายากซึ่งทฤษฎีที่มีอยู่ทำนายไว้ได้มาถึงเกณฑ์หลักฐานแล้ว ขณะที่พฤติกรรมที่วัดได้ช่วยให้นักวิจัยจำกัดทางเลือกของทฤษฎีอื่นที่เสนอไว้ได้เข้มงวดยิ่งขึ้น

ประเด็นสำคัญ

• LHCb รายงานหลักฐานชิ้นแรกจากการทดลองเดียวสำหรับ B0 → μ+μ− หลังเริ่มการค้นหาในปี 1984
• ข้อมูลปี 2024 และ 2025 ให้ค่าความมีนัยสำคัญสามส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน เมื่อนำข้อมูลจากการเดินเครื่องครั้งก่อนมารวม ค่าดังกล่าวเพิ่มเป็น 3.2
• แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่าจะเกิดการสลายตัวแบบนี้ประมาณหนึ่งครั้งต่อการสลายตัวของ B0 ทุก 10,000 ล้านครั้ง
• ผลการวัดการสลายตัวครั้งใหม่สอดคล้องกับแบบจำลองมาตรฐาน และจำกัดความเป็นไปได้ที่ยังเหลืออยู่สำหรับอนุภาคเพิ่มเติมให้แคบลง
• LHCb วัดอายุขัยเชิงประสิทธิผลของการสลายตัวที่เกี่ยวข้องกับ Bs0 ได้ 1.60 ± 0.16 ± 0.01 พิโควินาที
• การยืนยันการค้นพบการสลายตัวของ B0 ยังต้องมีค่าความมีนัยสำคัญห้าส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐาน