Спустя 40 лет ЦЕРН обнаружил доказательства распада одной частицы из 10 миллиардов.

Открытие, о котором было объявлено во время семинара в ЦЕРНе, знаменует собой первый случай, когда один эксперимент предоставил достаточные доказательства этого чрезвычайно редкого события. Помимо своей редкости, этот распад особенно ценен, поскольку он может помочь ученым исследовать частицы, которые слишком массивны, чтобы их можно было создать непосредственно в Большом адронном коллайдере.

В центре открытия находится частица под названием B._дкоторый содержит бьюти-кварк и даун-антикварк. Ученые нашли доказательства того, что эта частица может распасться на пару мюонов (м⁺м^–). Мюоны похожи на электроны, но имеют большую массу. Результаты согласуются с предсказаниями Стандартной модели, ведущей теории, описывающей фундаментальные частицы и их взаимодействия, и помогают сузить возможности появления новых частиц за ее пределами.

Почему распады редких частиц могут открыть новую физику

Одна из причин, по которой физики так интересуются этими необычными распадами, заключается в том, что квантовые эффекты позволяют другим частицам влиять на то, как они происходят. Даже частицы, слишком тяжелые для производства в Большом адронном коллайдере, потенциально могут оставить едва заметные следы в скорости этих процессов.

Измеряя чрезвычайно редкие распады с высокой точностью, исследователи могут искать различия между экспериментальными результатами и теоретическими предсказаниями. Такие расхождения могут служить косвенным свидетельством существования ранее неизвестных частиц. Как правило, чем реже происходит распад, тем более чувствительным он может быть к этим скрытым влияниям.

Распад, известный как B_д → м⁺м^–принадлежит к особой категории, которую физики уже давно считают «золотыми каналами» для исследования физики за пределами Стандартной модели. В ходе этого процесса красивый кварк и антикварк с противоположным электрическим зарядом аннигилируют друг друга. Их энергия трансформируется в мюон и его античастицу.

Ученые ранее наблюдали похожий процесс с участием другой частицы красоты, называемой B._с. В 2015 году совместный анализ коллабораций LHCb и CMS сообщил о первом подтвержденном наблюдении B._с → м⁺м^–наряду с первоначальными свидетельствами существования гораздо более редкого B_д разлагаться.

Однако последующий анализ, включающий данные, собранные в течение 2018 года, не смог подтвердить более ранние доказательства существования B._д → м⁺м^–. Разница в редкости существенная. Б_с распад происходит примерно три раза на миллиард распада частиц красоты, в то время как B_д По прогнозам, этот процесс будет происходить примерно в 30 раз реже.

Модернизированный детектор ЦЕРН делает прорыв возможным

Значительное улучшение эксперимента LHCb помогло исследователям преодолеть огромную трудность обнаружения такого редкого события.

После серьезной модернизации эксперимент начал собирать данные в 2024 году в пять раз быстрее, чем в период с 2010 по 2018 год. Модернизированный детектор также стал лучше идентифицировать различные типы частиц, что дает исследователям более четкое представление об активности, возникающей во время столкновений.

Команда объединила эти улучшения с методами машинного обучения, чтобы отличить исключительно редкие сигналы от огромного количества других процессов, связанных с частицами. Без этих достижений события, которые ученые хотели изучить, были бы заглушены фоном.

«Физики преследовали этот распад более сорока лет», — сказал Марко Сантимария, который возглавлял международную аналитическую группу из 19 ученых. «Чтобы выделить мюоны на фоне подавляющего фона, необходима предельная точность».

Четыре десятилетия поисков наконец дали убедительные доказательства

В физике элементарных частиц ученые используют статистическую меру, называемую стандартными отклонениями, чтобы оценить, насколько вероятно, что видимый сигнал является результатом случайных флуктуаций, а не реального физического процесса.

Результат должен достигать трех стандартных отклонений, чтобы квалифицироваться как свидетельство нового явления. На этом уровне вероятность случайных колебаний, создающих сигнал, по крайней мере, столь же статистически экстремальный, составляет примерно 0,3%.

Используя данные, собранные в 2024 и 2025 годах, исследователи LHCb выявили доказательства существования B_д → м⁺м^– при значимости 3,0 стандартных отклонений. Когда они объединили эти измерения с более ранними данными, собранными в период с 2011 по 2018 год, статистическая значимость увеличилась до 3,2 стандартных отклонений, превысив общепринятый порог доказательств.

В том же исследовании были произведены наиболее точные измерения, когда-либо полученные для соответствующего B._с → м⁺м^–распада, предоставляя дополнительную информацию об этих исключительно необычных процессах.

Хотя новые результаты представляют собой большое достижение, физики еще не достигли порога, необходимого для объявления подтвержденного наблюдения. Этот этап требует значимости пяти стандартных отклонений.

Если будущие измерения достигнут такого уровня уверенности, B_д → м⁺м^–станет редчайшим распадом частиц красоты, когда-либо наблюдавшимся.

Будущие обновления Большого адронного коллайдера могут обнаружить скрытые частицы

Исследователи ожидают, что предстоящие усовершенствования Большого адронного коллайдера сделают эти измерения еще более эффективными.

БАК High Luminosity LHC, также известный как HiLumi LHC, планируется начать в 2030 году. Еще одна крупная модернизация эксперимента LHCb запланирована на середину следующего десятилетия. В совокупности эти разработки могут в конечном итоге увеличить скорость сбора данных эксперимента еще в десять раз.

Сбор гораздо больших наборов данных позволит физикам обнаружить больше этих чрезвычайно редких распадов и измерить их свойства с большей точностью. Эта повышенная чувствительность может позволить идентифицировать тонкие эффекты, связанные с частицами, которые остаются за пределами прямой досягаемости существующих ускорителей.

«Видеть доказательства этого редкого распада невероятно интересно, ведь это открывает новые возможности для исследований за пределами прямой досягаемости БАКа», — объяснил Гарри Клифф, соорганизатор и соруководитель отдела анализа редких распадов LHCb.

«Будущая модернизация LHCb позволит нам наблюдать гораздо больше таких распадов, обеспечивая еще большую чувствительность к неоткрытым частицам».

Для физиков, которые искали этот неуловимый сигнал более четырех десятилетий, новые данные представляют собой долгожданный прогресс. Это также предлагает многообещающий способ выяснить, являются ли известные законы физики элементарных частиц частью гораздо более широкой картины.