Фізики на Великому адронному колайдері вперше в межах одного експерименту отримали свідчення існування одного з найрідкісніших розпадів, які передбачає Стандартна модель. Йдеться про перетворення нейтрального B-мезона на мюон і антимюон. Невідомі важкі частинки, якби вони існували, могли б змінити частоту цього процесу. Виміряне значення узгоджується з прогнозом теорії, тож Стандартна модель пройшла ще одну перевірку, а для гіпотетичних частинок, яких вона не передбачає, залишилося менше місця.
Раз на десять мільярдів
Колаборація експерименту з вивчення b-кварків на Великому адронному колайдері (LHCb) представила результат 3 листопада, повідомляє ScienceAlert. За теорією, так розпадається приблизно один мезон із десяти мільярдів, і виміряна частота з прогнозом узгоджується.
Сам мезон складається з двох кварків. Один із них такий самий, як у протонах і нейтронах, а другий є античастинкою значно важчого b-кварка. Такі мезони отримують у зіткненнях протонів, і розпадаються вони приблизно за півтори трильйонні частки секунди.
Настільки рідкісний сигнал легко сплутати з фоном, тобто з іншими процесами, які в детекторі виглядають схоже. Тому результат оцінюють за статистичною значущістю, яку вимірюють у сигмах. Тут вона становить 3,2 сигми, а отже, ймовірність, що фон сам собою дав би такий сигнал, менша за три десятих відсотка.
Чому важлива частота
Теорія давно передбачала не лише сам розпад, а й те, як часто він має траплятися. Якби на нього впливали невідомі частинки, виміряна частота відрізнялася б від розрахованої. Вони збіглися, отже, теорія і тут правильно описує те, що відбувається в природі.
Стандартна модель, теорія, що описує відомі частинки і сили між ними, допускає цей розпад лише обхідним шляхом, а не за один крок. Кварки мезона можуть перетворитися на пару мюонів лише через ланцюжок проміжних частинок, що виникають на мить, зокрема через найважчий відомий t-кварк. Кожна ланка цього ланцюжка робить розпад ще менш імовірним.
Є й друга причина. Мезон не має спіну, тобто власного обертального моменту, тож спіни мюонів мають бути зорієнтовані певним чином, а в слабкій взаємодії, через яку йде розпад, такі пари утворюються вкрай рідко.
Саме через таку рідкісність цей розпад зручно використовувати для перевірки гіпотез про нові частинки. Стандартна модель не пояснює темну матерію і того, чому у Всесвіті речовини значно більше, ніж антиречовини, тож науковці шукають частинки, яких у ній немає. Навіть якщо такі частинки надто важкі, щоб зареєструвати їх на колайдері безпосередньо, через них міг би з’явитися додатковий шлях розпаду. Звичайний шлях дуже вузький, тому навіть слабкий додатковий внесок помітно змінив би частоту.
Відхилення поки не видно, тож нові частинки або ще важчі, або впливають на розпад надто слабко. За оцінкою авторів, такі вимірювання чутливі до процесів з енергіями до 100 тераелектронвольтів, тоді як енергія зіткнень на колайдері становить 13,6 тераелектронвольта.
Сорок два роки пошуків
Шукати цей розпад почали 1984 року на американському експерименті CLEO. Тоді лише встановили, що він трапляється не частіше ніж раз на п’ять тисяч розпадів. Відтоді чутливість пошуків зросла приблизно у два мільйони разів, і лише на такому рівні розпад нарешті проявився.
Ще 2015 року спільний аналіз даних LHCb і детектора CMS давав натяк на цей розпад, проте наступні вимірювання його не підтвердили. Відтоді експерименти дедалі ближче підходили до передбаченої частоти, але самого розпаду впевнено не фіксували.
Що змінив оновлений детектор
Аналіз, який очолив Гаррі Кліфф із Кембриджського університету, спирається на дані 2024 і 2025 років з оновленого детектора LHCb. За два роки накопичили вдвічі більше даних, ніж з 2011 по 2018 рік разом, а мюони тепер розпізнаються точніше, тож їх рідше плутають з іншими частинками.
Навіть так у вибірці очікували лише близько 26 таких розпадів серед сотень фонових подій. Щоб відокремити рідкісний сигнал, команда застосувала машинне навчання.
Результати поки існують у вигляді препринту на arXiv. Його подано до журналу Physical Review X, тож висновки ще не пройшли рецензування.
До відкриття бракує даних
Відкриттям фізики вважають результат зі значущістю від 5 сигм. Поки її немає, ідеться про свідчення існування розпаду, а не про його остаточне спостереження.
Наступну модернізацію детектора LHCb заплановано на 2030-ті роки, після неї обсяг даних має зрости приблизно на порядок. З такою вибіркою можна буде набрати значущість, потрібну для відкриття, і виміряти частоту розпаду значно точніше.
