Физики обнаружили доказательства распада одной из 10 миллиардов частиц

Фото из открытых источников

Возможно, мы стали на один гигантски малый шаг ближе к решению важнейших вопросов Вселенной, включая то, что произошло сразу после Большого взрыва, где скрывается темная материя и почему вообще существует обычная материя? 

Повышенная чувствительность ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, позволяет исследователям беспрецедентно глубоко изучать саму структуру нашей реальности. 

Называемая «зептовселенной», она может содержать неоткрытые частицы или силы, существующие в зептометровых масштабах, в тысячи триллионов раз тоньше человеческого волоса, а также квантовые действия, формирующие космос на протяжении невообразимо малых промежутков времени.  

После более чем 40 лет усилий ученые фактически открыли дверь в зептомир, предоставив экспериментальные доказательства существования чрезвычайно неуловимого и нестабильного типа распада частиц. 

На семинаре, состоявшемся 3 ноября, и в предварительной версии статьи на arXiv, которая еще не прошла рецензирование, коллаборация LHCb объявила о наличии доказательств этого явления.

Считается, что это происходит лишь один раз из десяти миллиардов случаев, связанных со смертью определенной «частицы красоты» — вероятность значительно ниже, чем выигрыш в лотерею.

Это потенциальное открытие, а также гораздо более точное измерение ранее наблюдавшегося распада-близнеца, предоставляют «мощную новую проверку Стандартной модели и окно в потенциальную новую физику», — объясняет Ниладри Саху, физик-частиц из Бирмингемского университета и руководитель рабочей группы LHCb по очень редким распадам.

Эксперимент проводился на Большом адронном коллайдере «Бьюти» (LHCb), проекте по поиску частиц, расположенном вдоль обширной подземной части Большого адронного коллайдера. 

Благодаря недавнему обновлению, значительно повысившему точность обнаружения столкновений частиц, а также использованию методов машинного обучения для повышения отношения сигнал/шум, которое ранее препятствовало подобным наблюдениям, теперь прибор может целенаправленно обнаруживать редкие явления в физике элементарных частиц, которые разыскиваются с 1980-х годов.

Эксперимент LHCb регистрирует распады с помощью таких инструментов, как его сверхточный субдетектор VELO, расположенный в непосредственной близости от пучка частиц, менее чем на ширину пальца, что позволяет лучше наблюдать за множеством экзотических частиц, образующихся в результате столкновений со скоростью, близкой к скорости света. 

Таким образом, главный прорыв ученых заключается в потенциальном обнаружении распада частицы, известной как Bd - мезон, на мюон и антимюон. 

Рассматриваемый мезон состоит из двух странных частиц, называемых кварком красоты и антикварком нижнего типа.

Кварки бывают шести типов, и два из них, называемые верхним и нижним кварками, объединяются в триады, образуя нейтроны и протоны.

Остальные кварки более эзотеричны, но необходимы для исследования величайших тайн Вселенной.

Соответственно, «красивые кварки» были распространены в «жидкой» среде после Большого взрыва, возможно, когда космосу было всего лишь сотая доля миллиардной доли секунды, но сегодня они, естественно, отсутствуют.

Так откуда же исследователи взяли в свои руки кварк красоты, чтобы создать мезон и запустить весь этот процесс?

Они создали эти кварки с нуля.

Сначала они столкнули протоны на скорости, близкой к скорости света, создав эфемерный поток частиц, включающий множество красивых кварков и антикварков, которые не любят быть поодиночке, поэтому они почти мгновенно объединяются посредством сильного ядерного взаимодействия, которое также связывает кварки внутри протонов и нейтронов.

Эти мезоны невероятно мимолетны, распадаясь за полторы триллионные доли секунды. Но лишь один из десяти миллиардов таких «прекрасных» распадов приводит к желаемому результату: из энергии квантового мира появляются мюон и антимюон, что соответствует закону энергии-массы.

Сами по себе эти мюоны «живут» всего около двух миллионных долей секунды, прежде чем распасться на такие частицы, как электроны и позитроны. 

Для подтверждения подобного явления необходим уровень значимости в три стандартных отклонения, или «3 сигма», что соответствует 0,3-процентной вероятности того, что результат является случайностью.

Эти новейшие данные, полученные в ходе эксперимента LHCb в 2024 и 2025 годах, в сочетании с предыдущими данными, собранными в период с 2011 по 2018 год, дают комфортный уровень значимости 3,2 сигма. 

Для достижения «золотого стандарта» значимости 5 сигма потребуются дальнейшие исследования для подтверждения этого снижения. Будущие модернизации в 2030-х годах увеличат количество столкновений в БАК и снова повысят скорость сбора данных на порядок.

«Все результаты согласуются с ожиданиями [Стандартной модели] и ограничивают вклад новой физики на энергетических масштабах, выходящих за пределы тех, которые доступны посредством прямого образования на БАК», - объясняют исследователи.

Это подчеркивает, что результаты данной работы согласуются со Стандартной моделью, которая объясняет большую часть нашей Вселенной, но не проливает свет на темную материю, или на небольшую асимметрию обычной материи и антиматерии, которая предотвратила самоуничтожение всего космоса в потоке энергии после Большого взрыва.

Это также наводит на мысль, что открытие новых физических явлений может зависеть не от непосредственного образования новой частицы Большим адронным коллайдером, а от косвенных доказательств, возможно, наблюдаемых в других скоростях распада.

Так было и в случае с предыдущими открытиями очарованного кварка и топ-кварка, последний из которых является самым тяжелым из кварков, примерно равным массе целого атома золота.

«Впервые увидеть явные доказательства этого редчайшего распада было захватывающе», — заключает Гарри Клифф, физик-ядерщик из Кембриджского университета и руководитель аналитической группы. «Мы уже стучимся в дверь зептовселенной. Мне не терпится увидеть, что мы обнаружим, углубляясь в её изучение».