LHCb tìm thấy bằng chứng về sự phân rã hiếm của meson B sau 42 năm tìm kiếm

Tín hiệu thoáng qua giữa hàng tỷ lần phân rã hạt

Thí nghiệm LHCb tại CERN đã báo cáo bằng chứng đầu tiên từ một thí nghiệm đơn lẻ về sự phân rã cực hiếm của meson B trung hòa thành hai muon, dựa trên dữ liệu va chạm thu thập trong năm 2024 và 2025. Kết hợp với các phép đo trước đó, tín hiệu đạt mức ý nghĩa thống kê 3,2 độ lệch chuẩn, đủ để được xem là bằng chứng nhưng vẫn chưa đạt ngưỡng mà các nhà vật lý yêu cầu để xác nhận một phát hiện.

Kết quả được công bố trong thông báo ngày 3 tháng 11 năm 2026 của cộng tác LHCb, đánh dấu bước tiến mới trong cuộc tìm kiếm bắt đầu từ năm 1984. Sự phân rã này được viết là B0 → μ+μ−, còn gọi là Bd → μ+μ−. Quá trình này biến một hạt chứa quark đáy hoặc phản quark đáy thành một muon và phản hạt của nó.

Mô hình Chuẩn, lý thuyết mô tả các hạt cơ bản đã biết và tương tác của chúng, dự đoán cứ khoảng 10 tỷ lần phân rã meson B0 thì có một lần phân rã như vậy. Sự hiếm có đặc biệt này khiến quá trình trở nên hữu ích: một hạt chưa được phát hiện có thể làm thay đổi xác suất phân rã đủ nhiều để một thí nghiệm chính xác nhận ra.

LHCb cũng báo cáo các phép đo chính xác nhất từ trước đến nay về xác suất và thời gian sống hiệu dụng của một quá trình phân rã liên quan, Bs0 → μ+μ−. Cả hai nhóm kết quả đều phù hợp với Mô hình Chuẩn. Kết hợp lại, chúng giúp các nhà nghiên cứu kiểm nghiệm sắc bén hơn những lý thuyết đề xuất sự tồn tại của các hạt ngoài những hạt đã biết.

Chính xác thì hạt nào đang biến mất?

Meson B là những hạt tồn tại trong thời gian ngắn, cấu tạo từ một quark và một phản quark. B0 và Bs0 thuộc cùng một họ, nhưng thành phần quark nhẹ hơn của chúng khác nhau: một loại có quark down, loại kia có quark strange. Thành phần khác nhau khiến tần suất chúng tạo ra một cặp muon cũng khác nhau.

Muon là hạt cơ bản tương tự electron nhưng nặng hơn. Hai muon trong các quá trình phân rã này mang điện tích trái dấu. Các nhà nghiên cứu tìm kiếm vết đi của chúng và sử dụng những đặc tính đo được để dựng lại khối lượng của hạt đã tạo ra chúng.

Mô hình Chuẩn dự đoán quá trình phân rã Bs0 xảy ra khoảng ba lần trên mỗi tỷ lần phân rã, thường xuyên hơn quá trình B0 khoảng 30 lần. Các xác suất này, gọi là tỷ lệ phân nhánh, mô tả tỷ phần meson thuộc một loại nhất định phân rã theo một con đường cụ thể. Phần lớn meson B biến mất theo những con đường khác, khiến tín hiệu cần tìm bị chìm giữa số lượng hạt lớn hơn nhiều.

Vì sao kết quả này được xem là bằng chứng

Chỉ với mẫu dữ liệu thu thập trong năm 2024 và 2025, LHCb tìm thấy mức ý nghĩa ba độ lệch chuẩn. Khi bổ sung dữ liệu từ Run 1 và Run 2, hai giai đoạn vận hành trước đó của Máy Va chạm Hadron Lớn, con số này tăng lên 3,2.

Ý nghĩa thống kê đo lường mức độ dữ liệu ủng hộ một tín hiệu so với khả năng chỉ có nền. Con số càng lớn thì khả năng một dao động ngẫu nhiên của nền tạo ra kết quả nổi bật ít nhất tương đương càng thấp. Các nhà vật lý hạt thường dùng ba độ lệch chuẩn làm ngưỡng xác định bằng chứng và năm độ lệch chuẩn làm ngưỡng xác nhận một phát hiện.

Cách mô tả của cộng tác được nêu rõ có chủ đích: đây là bằng chứng đầu tiên từ một thí nghiệm đơn lẻ về B0 → μ+μ−. Một phân tích kết hợp giữa LHCb và CMS từng báo cáo bằng chứng vào năm 2015, nhưng các phân tích sau đó không xác nhận dấu hiệu ban đầu ấy.

Phép đo mới đưa cuộc tìm kiếm vượt trở lại ngưỡng bằng chứng với một bộ dữ liệu mới. Mục tiêu thống kê tiếp theo là năm độ lệch chuẩn. LHCb chưa đưa ra thời điểm dự kiến đạt được mục tiêu này.

Cuộc tìm kiếm kéo dài từ năm 1984 đến 2026

Các nhà nghiên cứu đã theo đuổi những quá trình phân rã hiếm này qua nhiều thế hệ thí nghiệm. Quá trình Bs0 thường xảy ra hơn đã đạt ngưỡng xác nhận phát hiện trước, tạo nền tảng cho cuộc tìm kiếm khó khăn hơn đối với B0.

• 1984: Bắt đầu tìm kiếm B0 → μ+μ−.
• Tháng 11 năm 2012: LHCb báo cáo bằng chứng về Bs0 → μ+μ− ở mức 3,5 độ lệch chuẩn.
• Tháng 5 năm 2015: Phân tích kết hợp giữa LHCb và CMS xác nhận sự phân rã Bs0 ở mức 6,2 độ lệch chuẩn và báo cáo dấu hiệu ban đầu của sự phân rã B0.
• Tháng 2 năm 2017: Riêng LHCb xác nhận sự phân rã Bs0 ở mức 7,8 độ lệch chuẩn.
• Các phân tích tiếp theo sử dụng dữ liệu thu thập đến năm 2018 không xác nhận dấu hiệu B0 trước đó.
• 2024 và 2025: LHCb thu thập dữ liệu mới được sử dụng trong phân tích gần nhất.
• Ngày 3 tháng 11 năm 2026: LHCb công bố bằng chứng về sự phân rã B0 ở mức ba độ lệch chuẩn trong mẫu dữ liệu mới và 3,2 khi kết hợp với các đợt vận hành trước.

Lịch sử này lý giải vì sao các nhà nghiên cứu phân biệt cẩn thận giữa bằng chứng và phát hiện. Một tín hiệu đầy hứa hẹn cần thêm dữ liệu; các phép đo sau đó có thể củng cố tín hiệu hoặc khiến nó giảm xuống dưới ngưỡng được chấp nhận.

Máy dò tìm các cặp muon như thế nào

Máy dò nâng cấp của LHCb thu thập dữ liệu với tốc độ cao gấp khoảng năm lần so với giai đoạn 2010–2018. Với một quá trình được dự đoán chỉ xảy ra một lần trong 10 tỷ lần phân rã B0, việc ghi nhận nhiều vụ va chạm có thể sử dụng hơn là điều thiết yếu.

Máy định vị đỉnh, gọi tắt là VELO, giúp xác định nơi các hạt được tạo ra và phân rã. Được Đại học Liverpool lắp ráp, máy dò hoạt động cách chùm tia LHC chỉ năm milimét. Khả năng dò vết chính xác giúp các nhà nghiên cứu xác định vị trí phân rã của những hạt chỉ tồn tại trong một phần cực nhỏ của giây.

Học máy giúp tách các cặp muon tiềm năng khỏi nền, tức nhiều quá trình khác tạo ra những vết đi hoặc tổ hợp hạt tương tự. Sau đó, các nhà nghiên cứu khảo sát khối lượng bất biến của từng cặp, một đại lượng được tính từ năng lượng và động lượng của các muon, có thể giúp xác định khối lượng của hạt mẹ tạo ra chúng.

Phân bố khối lượng có một đóng góp dễ nhận thấy từ các quá trình phân rã Bs0 và một đóng góp nhỏ hơn ở mức khối lượng thấp hơn của B0. LHCb khớp các tín hiệu này cùng với nền để ước tính số lần phân rã của từng loại.

Sự hình thành B0 mang lại một lợi thế hữu ích. Theo LHCb, máy va chạm tạo ra khoảng bốn meson B0 cho mỗi meson Bs0. Dù mỗi B0 có xác suất phân rã thành hai muon thấp hơn khoảng 30 lần, số lượng B0 lớn hơn khiến chênh lệch dự kiến về số sự kiện thu hẹp còn khoảng bảy lần. So sánh này giúp lý giải vì sao quá trình hiếm hơn vẫn có thể được phát hiện khi có bộ dữ liệu đủ lớn.

Kết quả nói gì về các hạt chưa biết

Mô hình Chuẩn đưa ra dự đoán chính xác về xác suất của cả hai quá trình phân rã. Các lý thuyết mở rộng mô hình này có thể làm thay đổi những dự đoán đó bằng cách đưa vào các hạt ảnh hưởng đến quá trình phân rã, ngay cả khi các hạt ấy không được tạo ra trực tiếp dưới dạng vật thể nhìn thấy trong máy dò.

LHCb nêu các boson Higgs bổ sung, boson vectơ Z′ và leptoquark làm ví dụ. Đây là những hạt giả thuyết trong các phiên bản mở rộng khác nhau của lý thuyết. Ảnh hưởng có thể có của chúng khiến các quá trình phân rã hiếm trở thành phương thức tìm kiếm gián tiếp các hiện tượng vật lý ở mức năng lượng vượt ngoài khả năng tiếp cận trực tiếp của một thí nghiệm va chạm cụ thể.

Cộng tác LHCb, đơn vị vận hành thí nghiệm và thực hiện phân tích, mô tả các phép đo mới nhất như sau:

Các kết quả được công bố hôm nay, phù hợp với Mô hình Chuẩn, xác định chính xác hơn nữa vùng tham số mà các mô hình mới này có thể tồn tại

Trên thực tế, kết quả giúp thu hẹp các tổ hợp khối lượng hạt giả thuyết và cường độ tương tác còn tương thích với thí nghiệm. Trong phân tích kết hợp của LHCb về hai tỷ lệ phân nhánh, dự đoán của Mô hình Chuẩn nằm trong vùng tin cậy 68,27%, tức khoảng thể hiện độ bất định của phép đo.

Vì sao đo thời gian sống lại tạo thêm một phép kiểm nghiệm

LHCb cũng đo thời gian sống hiệu dụng của các meson Bs0 phân rã thành cặp muon. Kết hợp dữ liệu Run 1, Run 2 và Run 3, thí nghiệm thu được 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picôgiây, phù hợp với dự đoán của Mô hình Chuẩn.

Một picôgiây bằng một phần nghìn tỷ giây. Độ bất định thứ nhất thể hiện giới hạn thống kê của phép đo; độ bất định thứ hai bao quát các hiệu ứng hệ thống liên quan đến cách tiến hành phép đo. Độ bất định thống kê lớn hơn nhiều, cho thấy vì sao dữ liệu bổ sung có thể hữu ích.

Thời gian sống hiệu dụng mô tả thời điểm phân rã của mẫu Bs0 được chọn. Một số phiên bản mở rộng giả thuyết của Mô hình Chuẩn có thể giữ gần như nguyên xác suất tổng thể tạo ra hai muon, đồng thời làm thay đổi cách các lần phân rã đó phân bố theo thời gian. Vì vậy, đo cả tần suất lẫn thời điểm sẽ kiểm nghiệm được nhiều khả năng hơn so với chỉ đếm số lần phân rã.

Tỷ số giữa tỷ lệ phân nhánh B0 và Bs0 cung cấp một phép so sánh khác. Một lý thuyết giả thuyết phải giải thích được mối liên hệ giữa hai quá trình cũng như tốc độ riêng của từng quá trình. Các kết quả mới nhất của LHCb kết hợp những phép kiểm tra riêng biệt này trong cùng một phân tích.

Bước tiếp theo trong việc khám phá những thang đo nhỏ nhất

LHCb đã gửi các kết quả mới để công bố và trình bày chúng tại một hội thảo chuyên đề ở CERN, mở đầu cho buổi làm việc giữa cộng tác và các nhà vật lý lý thuyết. Nhiệm vụ thực nghiệm trước mắt là thu thập đủ bằng chứng bổ sung để đưa tín hiệu B0 tiến gần ngưỡng xác nhận phát hiện, đồng thời đo chính xác hơn xác suất của quá trình này.

Theo cộng tác, một đợt nâng cấp tiếp theo của LHCb vào giữa thập niên tới có thể tăng tốc độ thu thập dữ liệu thêm một bậc độ lớn, tức khoảng mười lần. Điều đó sẽ hỗ trợ những phép kiểm tra khắt khe hơn bằng cách sử dụng cả hai quá trình phân rã hiếm.

Thuật ngữ Zeptoverse mô tả những khoảng cách cực nhỏ mà các nhà nghiên cứu hy vọng tìm hiểu thông qua các phép đo chính xác như vậy. Một zeptômét bằng một phần nghìn của một tỷ tỷ mét. Các quá trình phân rã hiếm tạo ra một con đường gián tiếp để khảo sát những hiệu ứng liên quan đến khoảng cách rất nhỏ và năng lượng cao.

Vật chất tối và nguồn gốc của lượng vật chất dư thừa so với phản vật chất trong vũ trụ vẫn là những động lực rộng hơn cho việc tìm kiếm các hiện tượng vượt ngoài Mô hình Chuẩn. Phát hiện được công bố ở đây có phạm vi hẹp hơn và cụ thể hơn: một quá trình phân rã hiếm được lý thuyết hiện hành dự đoán đã đạt ngưỡng bằng chứng, trong khi các đặc tính đo được giúp các nhà nghiên cứu siết chặt hơn những giới hạn đối với các lý thuyết thay thế.

Điểm chính

• LHCb báo cáo bằng chứng đầu tiên từ một thí nghiệm đơn lẻ về B0 → μ+μ−, sau cuộc tìm kiếm bắt đầu từ năm 1984.
• Dữ liệu năm 2024 và 2025 đạt mức ba độ lệch chuẩn; kết hợp các đợt vận hành trước, mức ý nghĩa tăng lên 3,2.
• Mô hình Chuẩn dự đoán khoảng một lần phân rã như vậy trên mỗi 10 tỷ lần phân rã B0.
• Các phép đo mới về quá trình phân rã phù hợp với Mô hình Chuẩn và thu hẹp những khả năng được cho phép đối với các hạt bổ sung.
• LHCb đo thời gian sống hiệu dụng của quá trình phân rã Bs0 liên quan là 1,60 ± 0,16 ± 0,01 picôgiây.
• Mục tiêu để xác nhận phát hiện sự phân rã B0 là đạt năm độ lệch chuẩn.