Представьте процесс, который происходит лишь один раз на десять миллиардов случаев и длится ничтожные доли секунды. Именно такой распад частиц физики пытались обнаружить более 40 лет. Теперь исследователи Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) впервые получили достаточно убедительные свидетельства его существования. Это достижение открывает новые возможности для проверки фундаментальных законов физики.
Речь идёт о распаде нейтрального В-мезона — нестабильной частицы, содержащей так называемый прелестный кварк. В исключительно редких случаях она превращается в две другие частицы: мюон и антимюон. Согласно расчётам, подобное происходит примерно один раз на десять миллиардов распадов.
Чтобы понять сложность задачи, достаточно представить, насколько недолговечны сами мезоны. Они существуют около полутора триллионных долей секунды, после чего распадаются. При этом исследователям необходимо не просто обнаружить продукты распада, но и отличить нужное событие от огромного количества других процессов, происходящих в ускорителе.
Такие частицы не встречаются в обычных условиях, хотя прелестные кварки существовали в ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва. Чтобы получить их сегодня, физики сталкивают протоны на скоростях, близких к скорости света. Энергия столкновений порождает множество новых частиц, среди которых возникают и мезоны с прелестными кварками.
Именно этим занимается эксперимент на Большом адронном коллайдере, специально предназначенный для изучения подобных частиц и их распадов. Его детекторы регистрируют следы продуктов столкновений, позволяя учёным восстанавливать происходившие события.
Долгое время необходимой точности не хватало. Ситуация изменилась благодаря модернизации оборудования, значительно увеличившей количество регистрируемых столкновений. Дополнительно исследователи применили методы машинного обучения, чтобы эффективнее отделять интересующие их сигналы от посторонних.
Объединив данные, собранные в 2011–2018 и 2024–2025 годах, физики получили статистическую значимость результата на уровне 3,2 сигма. Это превышает порог в 3 сигма, который обычно позволяет говорить о свидетельствах существования явления. Однако для признания открытия требуется более строгий уровень достоверности — 5 сигма.
Таким образом, распад пока нельзя считать окончательно подтверждённым. Для этого необходимо накопить дополнительные данные. Ожидается, что дальнейшая модернизация коллайдера в 2030-х годах позволит примерно на порядок увеличить скорость их сбора.
Но почему физики десятилетиями искали именно этот распад?
Дело в том, что его чрезвычайная редкость делает процесс особенно чувствительным к возможным отклонениям от известных законов природы. Современная теория элементарных частиц, называемая Стандартной моделью, достаточно точно описывает многие фундаментальные взаимодействия. Однако она не объясняет существование тёмной материи и то, почему после Большого взрыва во Вселенной оказалось больше обычного вещества, чем антивещества.
Учёные надеются, что редкие распады помогут обнаружить признаки пока неизвестных частиц или сил. Для этого необязательно непосредственно получить новую частицу в ускорителе. Иногда её возможное влияние можно заметить косвенно — например, если какой-либо распад происходит чаще или реже, чем предсказывает существующая теория.
Пока признаков такого отклонения не обнаружено. Результаты нового исследования согласуются с предсказаниями Стандартной модели. Кроме того, учёным удалось существенно уточнить измерения другого, ранее обнаруженного редкого распада.
Тем не менее точность этих наблюдений позволяет проверять физические процессы, связанные с масштабами энергий, недоступными для непосредственного рождения соответствующих частиц на Большом адронном коллайдере.
Исследователи образно называют эту малоизученную область «зептовселенной» — миром чрезвычайно малых расстояний и временных промежутков, где могут проявляться пока неизвестные особенности природы.
Как отметил физик Кембриджского университета Гарри Клифф, возглавлявший анализ данных, впервые увидеть убедительные свидетельства столь редкого распада было чрезвычайно волнительно. По его словам, исследователи теперь словно стучатся в дверь этого неизведанного мира.
Результаты были представлены 3 ноября и опубликованы в виде предварительной научной работы, которая ещё не прошла независимое рецензирование. Пока они не указывают на существование новой физики, но дают учёным более точный инструмент для её поиска.
