На БАК нашли признаки распада, который происходит раз на 10 000 000 000
Физики международной коллаборации LHCb получили первые убедительные свидетельства редчайшего распада, используя данные одного эксперимента на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН. Поиски этого процесса продолжались более 40 лет. Согласно теории, он происходит примерно один раз на десять миллиардов распадов нейтральных B-мезонов соответствующего типа.
Результат открывает новые возможности для проверки Стандартной модели — теории, описывающей элементарные частицы и их взаимодействия. Однако говорить о подтвержденном открытии пока рано: исследователям предстоит накопить больше данных.
Один случай на десять миллиардов
Речь идет о процессе B⁰ → μ⁺μ⁻: нейтральный B-мезон, содержащий b-кварк или его античастицу, распадается на два мюона противоположного заряда. Мюоны похожи на электроны, но значительно тяжелее. B-мезоны рождаются при столкновениях протонов и существуют лишь ничтожные доли секунды.
Нейтральные B-мезоны — это нестабильные частицы с нулевым электрическим зарядом. Они состоят из кварка и антикварка. Здесь речь о B⁰-мезоне, в состав которого входят d-кварк и b-антикварк. Кварки — элементарные частицы, из которых состоят, например, протоны и нейтроны. Они бывают шести типов. D-кварк, или нижний кварк, — один из двух типов кварков, составляющих обычное вещество. Протон содержит один d-кварк, а нейтрон — два. B-антикварк — античастица гораздо более тяжелого b-кварка, который также называют прелестным кварком. У них одинаковая масса, но противоположные электрические заряды. Физики нашли свидетельства исключительно редкого варианта распада — на два мюона, более тяжелых родственника электрона.
Ученые проанализировали данные за 2024–2025 годы и объединили их с результатами предыдущих этапов работы LHCb. Статистическая значимость сигнала достигла 3,2 сигма. Этого достаточно, чтобы говорить о свидетельстве процесса, но для признания открытия в физике частиц обычно требуется уровень пять сигма. Пока измерения согласуются со Стандартной моделью.
Как удалось найти редкий сигнал
Ключевую роль сыграла модернизация детектора LHCb: установка теперь способна собирать данные в пять раз быстрее. Проектирование и создание обновленного оборудования заняло 15 лет; над проектом работала международная коллаборация из 1900 участников.
Один из важнейших элементов установки — кремниевый детектор Vertex Locator. Он расположен всего в пяти миллиметрах от пучков и с высокой точностью восстанавливает траектории частиц. Это позволяет определить, где B-мезон появился и где распался на два мюона.
Проверка границ известной физики
Особенно редкие распады чувствительны к влиянию неизвестных частиц, которые могут быть слишком тяжелыми для непосредственного рождения на БАК. Их присутствие способно изменить частоту распадов. Поэтому отклонение от расчетов, если его обнаружат и подтвердят, может указать на физику за пределами Стандартной модели.
Такие измерения позволяют косвенно исследовать чрезвычайно малые масштабы, вплоть до зептометров — 10⁻²¹ метра, примерно в миллион раз меньше размера протона. Неизвестные тяжелые частицы могут влиять на вероятность распада через квантовые процессы, даже если энергии БАК недостаточно, чтобы создать их напрямую. Измеряя редкий распад, ученые ищут следы такого влияния и тем самым проверяют физику на масштабах, недоступных прямому наблюдению.
Ученые рассчитывают увеличить объем данных к началу 2030-х годов. Следующая модернизация LHCb, планируемая на середину десятилетия, может повысить скорость их сбора еще в десять раз и сделать проверку теории точнее.
