Ученые находятся на пороге доступа к миру, в миллион раз меньшему, чем протон

Фото из открытых источников

В ходе эксперимента в ЦЕРНе были обнаружены первые признаки распада частиц, настолько редкие, что это должно происходить лишь один раз примерно из 10 миллиардов попыток, после более чем 40-летних поисков. Результат соответствует существующей теории, но сужает круг возможных мест, где могут скрываться неоткрытые частицы.

Физики изучают распад частиц уже более 40 лет. Согласно расчетам, он происходит лишь один раз на каждые 10 миллиардов случаев образования определенной частицы.

Поиски начались еще до того, как Тим Бернерс-Ли создал Всемирную паутину в ЦЕРНе в 1989 году. Теперь эксперимент LHCb, один из четырех крупных детекторов Большого адронного коллайдера (БАК), гигантского ускорителя в ЦЕРНе под Женевой, обнаружил признаки того, что этот процесс реален.

Крис Паркс, заведующий кафедрой физики и астрономии Манчестерского университета, руководил коллаборацией LHCb в процессе модернизации детектора.

Он сравнивает шансы с ситуацией, когда на свидании с первой же попытки встречаешь единственного идеального партнера на Земле. Впрочем, это сравнение несколько преуменьшено: в мире примерно 8 миллиардов человек, а шансы здесь — один к десяти миллиардам.

Результат был представлен 3 ноября на семинаре в ЦЕРНе. Он достигает 3,2 «сигма», показателя того, насколько маловероятно, что сигнал является чистой случайностью. На этом уровне физики говорят о «доказательстве».

Для объявления об открытии им требуется 5 сигма — порог, использованный для объявления об открытии бозона Хиггса в 2012 году, — и для достижения этого потребуется больше данных. Работа, подписанная всей коллаборацией LHCb (первый автор Р. Аай), была опубликована в виде препринта на arXiv.

В этом процессе участвует частица, называемая Bd, и она содержит кварк красоты. Кварки — это строительные блоки протонов и нейтронов. Наиболее распространенные из них, называемые верхним и нижним, составляют окружающую нас материю, а кварк красоты является гораздо более тяжелым его родственником.

Большой адронный коллайдер производит огромное количество кварков красоты, но каждый из них существует лишь ничтожно малую долю секунды, прежде чем превратиться в другие частицы.

В структуре Bd-кварка красивый кварк соединен с нижним антикварком, антиматериальным двойником нижнего кварка. Физики хотят увидеть превращение Bd-кварка в два мюона, которые являются более тяжелыми аналогами электрона.

Почему такая необычная вещь имеет такое большое значение? Потому что, согласно квантовой физике, на каждый распад влияют все существующие частицы, включая те, которые слишком тяжелы, чтобы их можно было образовать непосредственно на БАК.

Чем реже происходит тот или иной процесс, тем заметнее будет скрытая частица, поскольку она будет вызывать распад чаще или реже, чем предполагалось.

Эта логика перекликается с открытием Нептуна. Неровности в орбите Урана побудили Урбена Ле Верье рассчитать, где должна находиться другая планета, и астроном Иоганн Галле обнаружил её в сентябре 1846 года.

Здесь в роли действующих лиц выступают частицы, а не планеты, но метод тот же: определить то, что нельзя увидеть, по его влиянию на то, что можно измерить.

В 2015 году совместный анализ, проведенный LHCb и CMS, еще одним крупным экспериментом на Большом адронном коллайдере, позволил впервые наблюдать распад близкого родственника — иона Bs.

Этот распад происходит примерно в 30 раз чаще. Анализ также дал первое представление о распаде Bd. Более поздние обновления, основанные на данных до 2018 года, не подтвердили это предположение, как напоминает ЦЕРН. Новым является то, что теперь сигнал регистрируется в рамках одного эксперимента.

За это время изменился инструмент. Новые данные были получены в 2024 и 2025 годах в рамках модернизированного LHCb, 15-летнего проекта, в котором, по словам Паркса, участвовало около 1900 международных участников.

Усовершенствованный детектор собирает данные в пять раз быстрее, чем раньше, и лучше различает типы частиц. В сочетании с методами машинного обучения он может отфильтровывать огромный фоновый шум, то есть множество других процессов, которые имитируют сигнал и в противном случае заглушили бы его.

Марко Сантимария, один из руководителей анализа, подводит итог: чтобы выделить мюоны из этого шума, требуется исключительная точность. По данным ЦЕРНа, одни только результаты, полученные в 2024 и 2025 годах, позволили достичь уровня 3 сигма, а с учетом данных первого этапа работы Большого адронного коллайдера (2011–2018 гг.) этот показатель возрастает до 3,2.

Университет Манчестера сыграл важную роль в этой модернизации. Его команда, во главе со Стефано Де Капуа, руководившая созданием детекторов, работала над Vertex Locator — британским компонентом эксперимента. Это кремниевый пиксельный детектор, своего рода сверхбыстрая камера, которая отслеживает траектории частиц.

Он расположен примерно в 5 миллиметрах от пучков протонов, что примерно соответствует длине небольшого рисового зернышка. Оттуда он может точно определить, где образуется частица и где она распадается, что крайне важно, учитывая, что она существует так ничтожно малую долю секунды. Де Капуа говорит, что в строительстве участвовало около 90 британских компаний, и что в процессе работы было подготовлено новое поколение ученых и инженеров.

Термин «зептоверс» обозначает чрезвычайно малые расстояния. Приставка «зепто» означает миллиардную долю триллионной доли метра, масштаб примерно в миллион раз меньше, чем протон, частица, находящаяся в ядре каждого атома.

Физики надеются, что всё более точные измерения распадов, столь редких, как этот, позволят им заглянуть в этот мир, где могут скрываться неизвестные частицы и силы.

На данный момент измерения согласуются с предсказаниями Стандартной модели — теории, которая наилучшим образом описывает известные фундаментальные частицы и их взаимодействие. Никаких новых признаков не обнаружено. Они лишь сужают область, где могут скрываться частицы, выходящие за рамки этой теории.

Конор Фицпатрик, профессор из Манчестера и заместитель координатора физического отдела LHCb, называет этот распад «золотым каналом» для обнаружения эффектов новой физики и отмечает, что физики по всему миру преследуют его уже более четырех десятилетий. Гарри Клифф, координатор эксперимента по редким распадам, добавляет, что его наблюдение открывает новые возможности для исследований за пределами прямой досягаемости LHC.

Модернизированный LHCb продолжит сбор данных до начала 2030-х годов. Это позволит более точно изучить распад и, если повезет, достичь 5 сигма, что, по данным ЦЕРН, сделает его самым редким распадом «частицы красоты», когда-либо наблюдавшимся.

После этого запуск Большого адронного коллайдера высокой светимости, запланированный на 2030 год, и дальнейшая модернизация LHCb в середине 2030-х годов могут увеличить темпы сбора данных еще в десять раз. Паркс говорит, что уже есть планы по созданию эксперимента, который позволит воспользоваться этим этапом и исследовать еще меньшие масштабы.

Брайан Кокс, физик из Манчестера, не принимавший участия в эксперименте, считает результат хорошим примером того, как наука движется вперед: улучшаются приборы, природа изучается с большей детализацией, и время от времени обнаруживаются открытия, которые никто не понимает. Именно с этого начинается прогресс. Кокс признает, что невозможно предсказать, будет ли он происходить постепенно или изменит мир.

Остается выяснить, будет ли сигнал продолжать усиливаться с появлением новых данных или ослабнет, как это произошло с намеком 2015 года, и будет ли измеренная скорость когда-нибудь отличаться от прогнозов Стандартной модели. На данный момент обе модели сходятся во мнении.