פיזיקאים מחפשים זה זמן רב אחר חלקיקים בעלי אינטראקציה חלשה (FIPs) כשער ל"מגזר אפל" של פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי. חלקיקים אלה, אם הם קיימים, ייווצרו בהתפרקות של חלקיקים כבדים יותר כמו מזוני B, אך יחמקו מגילוי ויותירו אחריהם חתימה של אנרגיה חסרה. על ידי חיפוש מדויק אחר אנרגיה חסרה זו בחמישה ערוצי התפרקות נפרדים של מזוני B, צוות בל קבע כעת את הגבולות החזקים ביותר עד כה לתדירות האפשרית של אירועים כאלה .

החיפוש: ערוצים חדשים ושיטה מדויקת

הניתוח בחן את ההתפרקויות B → h + Xinv, כאשר החלקיק הידוע h יכול להיות פאיון (π±), קאון (K±), מזון Dₛ (Dₛ±), פרוטון (p±), או מזון D ניטרלי (D̅⁰), ו-Xinv הוא החלקיק הבלתי נראה בעל האינטראקציה החלשה . החיפוש השתמש במאגר הנתונים המלא של ניסוי בל – 711 fb⁻¹ של נתוני התנגשויות אלקטרון-פוזיטרון, המקבילים לכ-770 מיליון זוגות של מזוני B – כפי שנקלטו במאיץ החלקיקים KEKB ביפן .

חשוב לציין, שלושה מתוך חמשת ערוצי ההתפרקות (B⁺ → π⁺ X, B⁺ → Dₛ⁺ X, ו-B⁺ → p X) מעולם לא נבדקו ישירות לפני מחקר זה . כדי לזהות את החלקיק הבלתי נראה הרותע, הצוות השתמש בטכניקת תיוג-B (B-tagging), כלומר שחזור מלא של מזון B אחד מהזוג כדי להסיק במדויק את תכונותיו של המזון השני, שהתפרק למסלול חלקיקי ידוע בתוספת אנרגיה חסרה .

לא נצפתה חריגה משמעותית מעל לרקע הצפוי באף ערוץ. כתוצאה מכך, שיתוף הפעולה קבע גבולות עליונים ברמת סמך של 90% על יחסי ההסתעפות (branching fractions), הנעים בין 10⁻⁴ ל-10⁻⁶ – כלומר, ההסתברות להתפרקויות אלו היא לכל היותר 1 ל-10,000 ועד 1 למיליון, בהתאם למסה של החלקיק ההיפותטי .

לחץ מיידי על חלקיקים דמויי אקסיון וסקלרים אפלים

לתוצאה השלילית יש השלכות מידיות עבור מגוון רחב של מודלים תאורטיים. חלקיקים בלתי נראים בעלי אינטראקציה חלשה, כולל חלקיקים דמויי אקסיון (ALPs) וסקלרים אפלים (dark scalars), הם חיזוי נפוץ של תיאוריות המנסות להסביר את החומר האפל. עוצמת האינטראקציה שלהם עם חלקיקי המודל הסטנדרטי מכתיבה ישירות באיזו תדירות הם יופיעו בהתפרקויות B. מכיוון שלא נמצא אות, הניתוח של בל מתורגם ישירות למגבלות הדוקות יותר על קבועי הצימוד של חלקיקים אלה .

מגבלות חדשות אלה אינן שוללות לחלוטין את קיומם של ALPs או סקלרים אפלים – הם עדיין יכולים להתקיים עם אינטראקציות חלשות מכדי להיראות – אך הן מצמצמות באופן משמעותי את מרחב הפרמטרים המותר, ומכוונות מאמצי ניסוי עתידיים לעבר המטרות התאורטיות המבטיחות ביותר .

המגבלה הישירה הראשונה על B-mesogenesis

אחת התוצאות המשפיעות ביותר של המחקר מגיעה מהערוץ הכולל פרוטון: B⁺ → p X. זהו האילוץ הניסויי הישיר הראשון על מנגנון ה-"B-mesogenesis", תרחיש תאורטי שבו התפרקויות של מזוני B ביקום הקדום יצרו עודף של אנטי-חומר שהועבר למגזר אפל, ובכך סייע להסביר מדוע היקום שלנו נשלט על ידי חומר .

הגבולות העליונים של שיתוף הפעולה בל על התפרקות זו שוללים את המנגנון עבור טווח מסוים של מסות חלקיקים במגזר האפל, ומפעילים לחץ משמעותי על המודל. עם זאת, מאמר תאורטי עדכני מציין שיש צורך לדחוף את המגבלות הניסויות על יחס ההסתעפות של B⁺ → p + אנרגיה חסרה לרמה של 10⁻⁷ או 10⁻⁸ כדי לספק מבחן מכריע ל-B-mesogenesis .

הדרך קדימה עם Belle II

מגבלות אלו הן פורצות דרך, אך הן מוגבלות סטטיסטית במידה רבה – כלומר, מדגם הנתונים של בל פשוט אינו גדול מספיק כדי לחקור התפרקויות נדירות במיוחד. הניסוי המשודרג Belle II, הפועל במאיץ SuperKEKB, כבר צבר מדגם נתונים הגדול פי כמה מזה של בל, וצפוי בסופו של דבר לאסוף פי 50 יותר נתונים .

עם מאגר הנתונים הגדול בהרבה הזה, Belle II יוכל לשפר את הרגישות לערוצי ההתפרקות הבלתי נראים הללו בסדרי גודל, ולחקור לעומק רב יותר את מרחב הפרמטרים המותר עבור כל המודלים שנבדקו בחיפוש זה. תוצאות בל משמשות אפוא אמת מידה קריטית וקרש קפיצה לדור הבא של החיפושים, ומכוונות את Belle II אל טווחי המסות והמודלים התאורטיים שבהם עשויה להסתתר תגלית .

פיזיקאים מחפשים זה זמן רב אחר חלקיקים בעלי אינטראקציה חלשה (FIPs) כשער ל"מגזר אפל" של פיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי. חלקיקים אלה, אם הם קיימים, ייווצרו בהתפרקות של חלקיקים כבדים יותר כמו מזוני B, אך יחמקו מגילוי ויותירו אחריהם חתימה של אנרגיה חסרה. על ידי חיפוש מדויק אחר אנרגיה חסרה זו בחמישה ערוצי התפרקות נפרדים של מזוני B, צוות בל קבע כעת את הגבולות החזקים ביותר עד כה לתדירות האפשרית של אירועים כאלה .

החיפוש: ערוצים חדשים ושיטה מדויקת

הניתוח בחן את ההתפרקויות B → h + Xinv, כאשר החלקיק הידוע h יכול להיות פאיון (π±), קאון (K±), מזון Dₛ (Dₛ±), פרוטון (p±), או מזון D ניטרלי (D̅⁰), ו-Xinv הוא החלקיק הבלתי נראה בעל האינטראקציה החלשה . החיפוש השתמש במאגר הנתונים המלא של ניסוי בל – 711 fb⁻¹ של נתוני התנגשויות אלקטרון-פוזיטרון, המקבילים לכ-770 מיליון זוגות של מזוני B – כפי שנקלטו במאיץ החלקיקים KEKB ביפן .

חשוב לציין, שלושה מתוך חמשת ערוצי ההתפרקות (B⁺ → π⁺ X, B⁺ → Dₛ⁺ X, ו-B⁺ → p X) מעולם לא נבדקו ישירות לפני מחקר זה . כדי לזהות את החלקיק הבלתי נראה הרותע, הצוות השתמש בטכניקת תיוג-B (B-tagging), כלומר שחזור מלא של מזון B אחד מהזוג כדי להסיק במדויק את תכונותיו של המזון השני, שהתפרק למסלול חלקיקי ידוע בתוספת אנרגיה חסרה .

לא נצפתה חריגה משמעותית מעל לרקע הצפוי באף ערוץ. כתוצאה מכך, שיתוף הפעולה קבע גבולות עליונים ברמת סמך של 90% על יחסי ההסתעפות (branching fractions), הנעים בין 10⁻⁴ ל-10⁻⁶ – כלומר, ההסתברות להתפרקויות אלו היא לכל היותר 1 ל-10,000 ועד 1 למיליון, בהתאם למסה של החלקיק ההיפותטי .

לחץ מיידי על חלקיקים דמויי אקסיון וסקלרים אפלים

לתוצאה השלילית יש השלכות מידיות עבור מגוון רחב של מודלים תאורטיים. חלקיקים בלתי נראים בעלי אינטראקציה חלשה, כולל חלקיקים דמויי אקסיון (ALPs) וסקלרים אפלים (dark scalars), הם חיזוי נפוץ של תיאוריות המנסות להסביר את החומר האפל. עוצמת האינטראקציה שלהם עם חלקיקי המודל הסטנדרטי מכתיבה ישירות באיזו תדירות הם יופיעו בהתפרקויות B. מכיוון שלא נמצא אות, הניתוח של בל מתורגם ישירות למגבלות הדוקות יותר על קבועי הצימוד של חלקיקים אלה .

מגבלות חדשות אלה אינן שוללות לחלוטין את קיומם של ALPs או סקלרים אפלים – הם עדיין יכולים להתקיים עם אינטראקציות חלשות מכדי להיראות – אך הן מצמצמות באופן משמעותי את מרחב הפרמטרים המותר, ומכוונות מאמצי ניסוי עתידיים לעבר המטרות התאורטיות המבטיחות ביותר .

המגבלה הישירה הראשונה על B-mesogenesis

אחת התוצאות המשפיעות ביותר של המחקר מגיעה מהערוץ הכולל פרוטון: B⁺ → p X. זהו האילוץ הניסויי הישיר הראשון על מנגנון ה-"B-mesogenesis", תרחיש תאורטי שבו התפרקויות של מזוני B ביקום הקדום יצרו עודף של אנטי-חומר שהועבר למגזר אפל, ובכך סייע להסביר מדוע היקום שלנו נשלט על ידי חומר .

הגבולות העליונים של שיתוף הפעולה בל על התפרקות זו שוללים את המנגנון עבור טווח מסוים של מסות חלקיקים במגזר האפל, ומפעילים לחץ משמעותי על המודל. עם זאת, מאמר תאורטי עדכני מציין שיש צורך לדחוף את המגבלות הניסויות על יחס ההסתעפות של B⁺ → p + אנרגיה חסרה לרמה של 10⁻⁷ או 10⁻⁸ כדי לספק מבחן מכריע ל-B-mesogenesis .

הדרך קדימה עם Belle II

מגבלות אלו הן פורצות דרך, אך הן מוגבלות סטטיסטית במידה רבה – כלומר, מדגם הנתונים של בל פשוט אינו גדול מספיק כדי לחקור התפרקויות נדירות במיוחד. הניסוי המשודרג Belle II, הפועל במאיץ SuperKEKB, כבר צבר מדגם נתונים הגדול פי כמה מזה של בל, וצפוי בסופו של דבר לאסוף פי 50 יותר נתונים .

עם מאגר הנתונים הגדול בהרבה הזה, Belle II יוכל לשפר את הרגישות לערוצי ההתפרקות הבלתי נראים הללו בסדרי גודל, ולחקור לעומק רב יותר את מרחב הפרמטרים המותר עבור כל המודלים שנבדקו בחיפוש זה. תוצאות בל משמשות אפוא אמת מידה קריטית וקרש קפיצה לדור הבא של החיפושים, ומכוונות את Belle II אל טווחי המסות והמודלים התאורטיים שבהם עשויה להסתתר תגלית .