LHCb Temukan Bukti Peluruhan Meson B yang Langka Setelah Pencarian Selama 42 Tahun

Sinyal sekilas di antara miliaran peluruhan partikel

Eksperimen LHCb di CERN melaporkan bukti pertama dari satu eksperimen untuk peluruhan meson B netral yang sangat langka menjadi dua muon, dengan menggunakan data tumbukan yang dikumpulkan pada 2024 dan 2025. Jika digabungkan dengan pengukuran sebelumnya, sinyal ini mencapai signifikansi statistik 3,2 simpangan baku, cukup untuk disebut sebagai bukti, tetapi belum mencapai ambang yang disyaratkan fisikawan untuk menyatakan suatu pengamatan.

Hasil tersebut, yang diumumkan dalam pengumuman 3 November kolaborasi LHCb pada 2026, memajukan pencarian yang dimulai pada 1984. Peluruhan ini ditulis B0 → μ+μ−, atau disebut juga Bd → μ+μ−. Proses ini mengubah partikel yang mengandung kuark bottom atau antikuark bottom menjadi muon dan antipartikelnya.

Model Standar, teori yang menjelaskan partikel elementer yang diketahui beserta interaksinya, memprediksi kira-kira satu peluruhan semacam itu untuk setiap 10 miliar peluruhan meson B0. Kelangkaan yang luar biasa ini membuat proses tersebut berguna: partikel yang belum ditemukan dapat mengubah probabilitasnya cukup besar sehingga terdeteksi oleh eksperimen presisi.

LHCb juga melaporkan pengukuran paling presisi sejauh ini atas probabilitas dan waktu hidup efektif peluruhan terkait, Bs0 → μ+μ−. Kedua hasil tersebut sesuai dengan Model Standar. Bersama-sama, hasil ini memberi peneliti cara yang lebih tajam untuk menguji teori-teori yang mengusulkan partikel di luar yang telah diketahui.

Apa sebenarnya yang menghilang?

Meson B adalah partikel berumur pendek yang tersusun dari kuark dan antikuark. B0 dan Bs0 termasuk dalam keluarga yang sama, tetapi komponen kuark yang lebih ringannya berbeda: yang satu melibatkan jenis down, sedangkan yang lain jenis strange. Perbedaan susunan ini memengaruhi seberapa sering keduanya dapat menghasilkan sepasang muon.

Muon adalah partikel elementer yang mirip elektron, tetapi lebih berat. Dua muon dalam peluruhan ini membawa muatan listrik yang berlawanan. Peneliti mencari jejak keduanya dan menggunakan sifat-sifat yang terukur untuk merekonstruksi massa partikel yang menghasilkannya.

Model Standar memprediksi peluruhan Bs0 terjadi sekitar tiga kali dalam satu miliar peluruhan, kira-kira 30 kali lebih sering daripada proses B0. Probabilitas ini, yang disebut fraksi percabangan, menunjukkan proporsi meson dari jenis tertentu yang mengikuti jalur peluruhan tertentu. Sebagian besar meson B menghilang melalui jalur lain, sehingga sinyal yang dicari tertimbun di antara jumlah partikel yang jauh lebih besar.

Mengapa ini disebut bukti

LHCb memperoleh signifikansi tiga simpangan baku hanya dari sampel 2024 dan 2025. Setelah data Run 1 dan Run 2, periode operasi Large Hadron Collider sebelumnya, ditambahkan, angka tersebut naik menjadi 3,2.

Signifikansi statistik mengukur seberapa kuat data mendukung adanya sinyal dibandingkan penjelasan yang hanya didasarkan pada latar belakang. Angka yang lebih besar berarti fluktuasi acak pada latar belakang lebih kecil kemungkinannya menghasilkan temuan yang setidaknya sama menonjolnya. Fisikawan partikel umumnya menggunakan tiga simpangan baku sebagai ambang bukti dan lima untuk suatu pengamatan.

Uraian kolaborasi tersebut sengaja dibuat spesifik: inilah bukti pertama dari satu eksperimen untuk B0 → μ+μ−. Analisis gabungan LHCb dan CMS sebelumnya telah melaporkan bukti pada 2015, tetapi analisis-analisis berikutnya tidak mengonfirmasi indikasi awal tersebut.

Pengukuran baru ini kembali membawa pencarian melewati ambang bukti dengan kumpulan data baru. Sasaran statistik berikutnya adalah lima simpangan baku. LHCb belum menyebutkan kapan sasaran itu akan tercapai.

Pencarian dari 1984 hingga 2026

Peneliti telah menelusuri peluruhan langka ini melalui beberapa generasi eksperimen. Proses Bs0 yang lebih sering terjadi mencapai ambang pengamatan lebih dahulu, menjadi landasan bagi pencarian B0 yang lebih sulit.

• 1984: Pencarian B0 → μ+μ− dimulai.
• November 2012: LHCb melaporkan bukti Bs0 → μ+μ− dengan signifikansi 3,5 simpangan baku.
• Mei 2015: Analisis gabungan LHCb dan CMS mengamati peluruhan Bs0 dengan signifikansi 6,2 simpangan baku dan melaporkan indikasi awal peluruhan B0.
• Februari 2017: LHCb sendiri mengamati peluruhan Bs0 dengan signifikansi 7,8 simpangan baku.
• Analisis-analisis berikutnya yang menggunakan data hingga 2018 tidak mengonfirmasi indikasi awal B0.
• 2024 dan 2025: LHCb mengumpulkan data baru yang digunakan dalam analisis terbaru.
• 3 November 2026: LHCb mengumumkan bukti peluruhan B0 dengan signifikansi tiga simpangan baku dalam sampel baru dan 3,2 jika digabungkan dengan data dari periode sebelumnya.

Riwayat ini menjelaskan mengapa peneliti dengan cermat membedakan bukti dari pengamatan. Sinyal yang menjanjikan memerlukan data tambahan, dan pengukuran berikutnya dapat memperkuatnya atau menurunkannya di bawah ambang yang diterima.

Bagaimana detektor menemukan pasangan muon

Detektor LHCb yang telah ditingkatkan mengumpulkan data dengan laju sekitar lima kali lebih tinggi dibandingkan periode 2010–2018. Untuk proses yang diperkirakan hanya terjadi sekali dalam 10 miliar peluruhan B0, merekam lebih banyak tumbukan yang dapat digunakan sangatlah penting.

Vertex Locator, yang dikenal sebagai VELO, membantu mengidentifikasi tempat partikel tercipta dan meluruh. Detektor yang dirakit oleh University of Liverpool ini beroperasi hanya lima milimeter dari berkas LHC. Pelacakan presisinya memungkinkan peneliti menentukan titik peluruhan partikel yang bertahan hanya selama sebagian kecil dari satu detik.

Pembelajaran mesin membantu memisahkan pasangan muon yang menjanjikan dari latar belakang, yakni berbagai proses lain yang menghasilkan jejak atau kombinasi partikel serupa. Peneliti kemudian memeriksa massa invarian setiap pasangan, besaran yang dihitung dari energi dan momentum muon, yang dapat mengidentifikasi massa partikel induknya.

Distribusi massa memperlihatkan kontribusi yang jelas dari peluruhan Bs0 dan kontribusi yang lebih kecil pada massa B0 yang lebih rendah. LHCb mencocokkan sinyal-sinyal ini dengan latar belakang untuk memperkirakan jumlah peluruhan dari setiap jenis.

Produksi B0 memberikan keuntungan tersendiri. Menurut LHCb, penumbuk menghasilkan sekitar empat meson B0 untuk setiap satu meson Bs0. Meski kemungkinan sebuah B0 meluruh menjadi dua muon sekitar 30 kali lebih kecil, jumlahnya yang lebih banyak mempersempit perkiraan selisih jumlah peristiwa menjadi sekitar faktor tujuh. Perbandingan ini membantu menjelaskan bagaimana proses yang lebih langka dapat dijangkau dengan kumpulan data yang cukup besar.

Makna hasil ini bagi pencarian partikel yang belum diketahui

Model Standar memberikan prediksi presisi untuk probabilitas kedua peluruhan tersebut. Teori yang memperluas Model Standar dapat mengubah prediksi itu dengan memperkenalkan partikel yang memengaruhi proses peluruhan, meski partikel tersebut tidak dihasilkan secara langsung sebagai objek yang terlihat di detektor.

LHCb menyebut boson Higgs tambahan, boson vektor Z′, dan leptoquark sebagai beberapa contohnya. Partikel-partikel ini diusulkan dalam berbagai perluasan teori. Kemungkinan pengaruhnya menjadikan peluruhan langka sebagai cara untuk mencari secara tidak langsung fisika pada energi yang melampaui jangkauan langsung eksperimen tumbukan tertentu.

Kolaborasi LHCb, yang mengoperasikan eksperimen dan melakukan analisis ini, menjelaskan pengukuran terbaru sebagai berikut:

Hasil yang diumumkan hari ini, yang sesuai dengan Model Standar, mempersempit dengan lebih presisi lagi wilayah parameter tempat model-model baru ini dapat berlaku

Dampak praktisnya adalah mempersempit kombinasi massa partikel yang diusulkan dan kekuatan interaksi yang masih sesuai dengan eksperimen. Dalam analisis gabungan LHCb atas kedua fraksi percabangan, prediksi Model Standar berada dalam wilayah kepercayaan 68,27%, rentang yang menyatakan ketidakpastian pengukuran.

Mengapa pengukuran waktu hidup menjadi pengujian tambahan

LHCb juga mengukur waktu hidup efektif meson Bs0 yang meluruh menjadi pasangan muon. Dengan menggabungkan data Run 1, Run 2, dan Run 3, eksperimen ini memperoleh hasil 1.60 ± 0.16 ± 0.01 pikodetik, sesuai dengan prediksi Model Standar.

Satu pikodetik adalah sepertriliun detik. Ketidakpastian pertama menggambarkan keterbatasan statistik pengukuran; yang kedua mencakup efek sistematis yang terkait dengan cara pengukuran dilakukan. Ketidakpastian statistik jauh lebih besar, menunjukkan mengapa data tambahan dapat bermanfaat.

Waktu hidup efektif menggambarkan waktu peluruhan sampel Bs0 yang dipilih. Beberapa perluasan Model Standar yang diusulkan dapat membuat probabilitas total menghasilkan dua muon hampir tidak berubah, tetapi mengubah sebaran waktu peluruhan tersebut. Karena itu, mengukur frekuensi sekaligus waktunya menguji lebih banyak kemungkinan daripada sekadar menghitung peluruhan.

Rasio fraksi percabangan B0 dan Bs0 menyediakan perbandingan lain. Teori yang diusulkan harus menjelaskan hubungan antara kedua proses sekaligus laju masing-masing. Hasil terbaru LHCb menyatukan berbagai pengujian terpisah ini dalam satu analisis.

Langkah berikutnya dalam skala terkecil

LHCb telah mengajukan hasil baru ini untuk diterbitkan dan mempresentasikannya dalam seminar CERN yang membuka lokakarya antara kolaborasi tersebut dan fisikawan teori. Tugas eksperimen yang segera dilakukan adalah mengumpulkan cukup banyak bukti tambahan agar sinyal B0 mendekati ambang pengamatan dan mengukur probabilitasnya dengan lebih presisi.

Peningkatan lebih lanjut pada LHCb pada pertengahan dekade berikutnya dapat menaikkan laju pengumpulan data satu orde magnitudo lagi, atau sekitar sepuluh kali lipat, menurut kolaborasi tersebut. Hal itu akan mendukung pengujian yang lebih ketat dengan menggunakan kedua peluruhan langka.

Istilah Zeptoverse menggambarkan jarak yang amat kecil yang ingin diselidiki peneliti melalui pengukuran presisi semacam ini. Satu zeptometer adalah seperseribu dari sepermiliar miliar meter. Peluruhan langka menyediakan jalur tidak langsung untuk menyelidiki efek yang berkaitan dengan jarak amat kecil dan energi tinggi.

Materi gelap dan asal muasal kelebihan materi dibandingkan antimateri di alam semesta tetap menjadi motivasi yang lebih luas dalam pencarian fisika di luar Model Standar. Temuan yang diumumkan di sini lebih spesifik dan konkret: peluruhan langka yang diprediksi teori yang ada telah mencapai ambang bukti, sementara perilakunya yang terukur memberi peneliti batasan lebih ketat terhadap teori alternatif yang diusulkan.

Poin Penting

• LHCb melaporkan bukti pertama dari satu eksperimen untuk B0 → μ+μ−, setelah pencarian yang dimulai pada 1984.
• Data 2024 dan 2025 mencapai signifikansi tiga simpangan baku; penggabungan dengan data periode sebelumnya menaikkan signifikansinya menjadi 3,2.
• Model Standar memprediksi kira-kira satu peluruhan semacam itu untuk setiap 10 miliar peluruhan B0.
• Pengukuran peluruhan baru ini sesuai dengan Model Standar dan mempersempit kemungkinan partikel tambahan yang diizinkan.
• LHCb mengukur waktu hidup efektif peluruhan Bs0 terkait sebesar 1.60 ± 0.16 ± 0.01 pikodetik.
• Lima simpangan baku tetap menjadi sasaran untuk menyatakan peluruhan B0 sebagai suatu pengamatan.