Najnowsze wyniki badań w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN pod Genewą sugerują, że możemy być blisko oznak nieodkrytej fizyki. Jeśli zostaną potwierdzone, te wskazówki obalą Model Standardowy – teorię, która dominuje w fizyce cząstek od 50 lat. Wyniki wskazują, że sposób, w jaki zachowują się określone cząstki subatomowe w LHC, jest niezgodny z Modelem Standardowym.

Cząstki fundamentalne to najbardziej podstawowe składniki materii – cząstki subatomowe, których nie da się podzielić na mniejsze jednostki. Cztery podstawowe siły – grawitacja, elektromagnetyzm, siła słaba i siła silna – rządzą interakcjami tych cząstek. LHC to gigantyczny akcelerator cząstek zbudowany w 27-kilometrowym okrągłym tunelu pod granicą francusko-szwajcarską. Jego głównym celem jest znalezienie pęknięć w Modelu Standardowym, który jest naszym najlepszym zrozumieniem cząstek fundamentalnych i sił, ale nie wyjaśnia grawitacji ani ciemnej materii – niewidzialnego, niezmierzonego rodzaju materii, która stanowi około 25% wszechświata.

W LHC wiązki protonów poruszających się w przeciwnych kierunkach są zderzane, aby odkryć wskazówki dotyczące nieodkrytej fizyki. Nowe wyniki pochodzą z LHCb, eksperymentu w Wielkim Zderzaczu Hadronów, gdzie analizowane są te zderzenia. Wynik pochodzi z badania rozpadu – rodzaju transformacji – cząstek subatomowych zwanych mezonami B. Zbadaliśmy, jak te mezony B rozpadają się na inne cząstki, odkrywając, że konkretny sposób, w jaki to się dzieje, jest niezgodny z przewidywaniami Modelu Standardowego.

Model Standardowy opiera się na dwóch najbardziej transformacyjnych osiągnięciach fizyki XX wieku: mechanice kwantowej i szczególnej teorii względności Einsteina. Fizycy mogą porównywać pomiary wykonane w obiektach takich jak LHC z przewidywaniami opartymi na Modelu Standardowym, aby rygorystycznie testować teorię. Pomimo że wiemy, iż Model Standardowy jest niekompletny, przez ponad 50 lat coraz bardziej rygorystycznych testów fizycy cząstek nie znaleźli jeszcze pęknięcia w teorii – to znaczy, potencjalnie, aż do teraz.

Nasz pomiar, przyjęty do publikacji w Physical Review Letters, wykazuje napięcie na poziomie czterech odchyleń standardowych od oczekiwań Modelu Standardowego. W kategoriach rzeczywistych oznacza to, że po uwzględnieniu niepewności wyników eksperymentalnych i przewidywań teoretycznych, istnieje tylko jedna szansa na 16 000, że tak ekstremalna przypadkowa fluktuacja w danych wystąpiłaby, gdyby Model Standardowy był poprawny. Chociaż nie osiąga to złotego standardu nauki – tzw. pięciu sigma, czyli pięciu odchyleń standardowych (około jedna szansa na 1,7 miliona) – dowody zaczynają się gromadzić.

Do tej przekonującej narracji dołączają wyniki z niezależnego eksperymentu LHC, CMS, opublikowane wcześniej w 2025 roku. Chociaż wyniki CMS nie są tak precyzyjne jak te z LHCb, są z nimi zgodne, wzmacniając sprawę. Nasze nowe wyniki zostały znalezione w badaniu konkretnego rodzaju procesu, znanego jako elektrosłaby rozpad pingwina. Termin „pingwin” odnosi się do specyficznego typu rozpadu (transformacji) krótkożyciowych cząstek. W tym przypadku badamy, jak mezon B rozpada się na cztery inne cząstki subatomowe – kaon, pion i dwa miony. Przy odrobinie wyobraźni można wizualizować układ zaangażowanych cząstek jako przypominający pingwina. Kluczowe jest to, że pomiary tego rozpadu pozwalają nam badać, jak jeden rodzaj cząstki fundamentalnej, kwark piękny, może przekształcić się w inny, kwark dziwny.

Ten rozpad pingwina jest niezwykle rzadki w Modelu Standardowym: na każdy milion mezonów B tylko jeden ulegnie takiemu rozpadowi. Dokładnie przeanalizowaliśmy kąty i energie, pod jakimi te cząstki są produkowane w rozpadzie, i precyzyjnie określiliśmy, jak często zachodzi ten proces. Odkryliśmy, że nasze pomiary tych wielkości są niezgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego.

Precyzyjne badania takich rozpadów są jednym z głównych celów eksperymentu LHCb i były nim od początku.