W świecie fizyki cząstek elementarnych, gdzie zjawiska mierzone są w ułamkach nanosekund i niewyobrażalnie małych skalach, znalezienie dowodu na niezwykle rzadki proces graniczy z cudem. Naukowcy pracujący przy eksperymencie NA62 w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) ogłosili właśnie spektakularny sukces. Udało im się zaobserwować i precyzyjnie zmierzyć rozpad cząstki, który występuje średnio tylko raz na dziesięć miliardów zdarzeń. To osiągnięcie nie tylko potwierdza niesamowitą precyzję współczesnych detektorów, ale stanowi również jedną z najsurowszych prób, jakim kiedykolwiek poddano Model Standardowy – fundament naszej wiedzy o budowie materii i oddziaływaniach we wszechświecie.
Przedmiotem badań międzynarodowego zespołu, składającego się z przedstawicieli 33 instytucji z 16 krajów, był specyficzny rodzaj rozpadu naładowanego dodatnio kaonu. Kaony to nietrwałe cząstki zbudowane z kwarków, w tym z tak zwanego kwarka dziwnego (s). Choć ich istnienie jest znane fizykom od dekad, konkretny proces, w którym kaon rozpada się na pion oraz parę neutrino-antyneutrino, jest uznawany za jeden z najtrudniejszych do uchwycenia w historii fizyki eksperymentalnej.
Dlaczego to zjawisko jest tak wyjątkowe? Przede wszystkim ze względu na swoją rzadkość. Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi, na każde 10 miliardów rozpadów kaonów, tylko jeden powinien przebiegać w ten konkretny sposób. Dodatkowym utrudnieniem jest obecność neutrin. Cząstki te niemal nie oddziałują z materią, nie posiadają ładunku elektrycznego i mają znikomą masę, co sprawia, że są „niewidzialne” dla standardowych detektorów. Naukowcy muszą więc rekonstruować ich obecność pośrednio, analizując pęd i energię pozostałych produktów rozpadu, co wymaga precyzji na poziomie technologicznym, który jeszcze kilka lat temu wydawał się nieosiągalny.
„Fabryka kaonów” – jak działa eksperyment NA62?
Aby zaobserwować tak nieuchwytne zdarzenie, badacze potrzebowali ogromnej liczby danych. Kluczem do sukcesu okazał się eksperyment NA62, który zyskał przydomek „fabryki kaonów”. Proces zaczyna się od Superprotonowego Synchrotronu (SPS), drugiego co do wielkości akceleratora w kompleksie CERN. Urządzenie to wystrzeliwuje wiązkę protonów o wysokiej intensywności w tarczę wykonaną z berylu. W wyniku tych zderzeń powstaje strumień niemal miliarda cząstek na sekundę.
Zaledwie sześć procent tego strumienia stanowią pożądane kaony. Detektory NA62 są jednak zaprojektowane tak, aby selekcjonować te konkretne cząstki i śledzić ich losy z niezwykłą dokładnością. Joel Swallow, jeden z głównych analityków danych w CERN, podkreśla, że jest to najczulszy zestaw danych, jaki kiedykolwiek poddano analizie. Sukces ten jest dowodem na to, że współczesna technologia pozwala nam „widzieć” procesy, które ze swojej natury wydają się niemal niemożliwe do zarejestrowania.
Przełomowa precyzja i statystyczna pewność
W 2024 roku zespół badawczy ogłosił, że udało im się osiągnąć istotność statystyczną na poziomie pięciu odchyleń standardowych (tzw. 5 sigma). W świecie nauki jest to „złoty standard”, który pozwala oficjalnie ogłosić odkrycie i wykluczyć, że zaobserwowany wynik jest jedynie przypadkowym błędem pomiarowym lub fluktuacją tła. Dzięki połączeniu danych z lat 2023–2024 oraz zastosowaniu zaawansowanych technik uczenia maszynowego, precyzja pomiaru wzrosła o około 40 procent w porównaniu do wcześniejszych szacunków.
Wyniki zaprezentowane podczas konferencji w La Thuile w 2026 roku pokazują, że częstotliwość występowania tego rozpadu jest niemal idealnie zgodna z tym, co przewiduje Model Standardowy. Choć wielu fizyków po cichu liczyło na drobne odchylenia, które mogłyby wskazywać na istnienie „nowej fizyki” (zjawisk wykraczających poza znany nam model), obecne wyniki potwierdzają niesamowitą siłę predykcyjną aktualnej teorii.
Co to oznacza dla przyszłości fizyki?
Mimo że Model Standardowy po raz kolejny przeszedł ten ekstremalny test, praca naukowców z NA62 się nie kończy. Giuseppe Ruggiero, rzecznik kolaboracji NA62, zauważa, że precyzyjne badanie tak rzadkich procesów pozwala nam na wyznaczanie granic dla teorii alternatywnych. Każdy kolejny pomiar zawęża pole manewru dla modeli próbujących wyjaśnić zagadki wszechświata, których Model Standardowy nie obejmuje, takich jak ciemna materia czy asymetria między materią a antymaterią.
Obserwacja rozpadu zachodzącego raz na 10 miliardów to triumf ludzkiej pomysłowości. Pokazuje, że dzięki determinacji setek naukowców i potędze obliczeniowej współczesnych systemów, jesteśmy w stanie badać najbardziej intymne sekrety natury. Choć na ten moment Model Standardowy pozostaje niepokonany, to właśnie dzięki tak precyzyjnym narzędziom jak NA62, fizycy mogą mieć nadzieję, że pewnego dnia dostrzegą pierwszą rysę na tej teorii, która otworzy drzwi do zupełnie nowego rozumienia rzeczywistości.
Źródło: CERN