4
Результат открывает новые горизонты для проверки Стандартной модели и поиска неизвестных частиц
Физики из международной коллаборации LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК) получили первые убедительные доказательства крайне редкого распада нейтрального B⁰-мезона на пару мюонов. Вероятность такого события составляет 1 случай на 10 миллиардов распадов данной частицы. Поиск начался в 1984 году, но только сейчас чувствительность эксперимента позволила зафиксировать статистически значимый избыток таких событий по сравнению с ожидаемым фоном. В новых данных значимость результата составила 3,0 стандартных отклонения, а после объединения с предыдущими измерениями LHCb достигла 3,2.
B⁰-мезон — нестабильная элементарная частица, содержащая b-кварк, один из тяжёлых кварков. При рассматриваемом распаде он трансформируется в два мюона — частицы, схожие с электронами, но в 207 раз более тяжёлые. Эти частицы относятся к семейству лептонов и оставляют характерные следы в детекторе, что позволяет физикам выделять их среди продуктов других взаимодействий. Стандартная модель физики элементарных частиц предполагает вероятность такого распада на уровне 1,03 случая на 10 миллиардов. В новом анализе LHCb получил значение 1,26 случая на 10 миллиардов с значительной статистической неопределённостью.
Уникальность этого процесса заключается в том, что он относится к редким переходам с изменением аромата кварка без непосредственного участия заряженного слабого тока. Эти процессы не происходят непосредственно на уровне одного элементарного взаимодействия, а реализуются через квантовые петлевые процессы с вовлечением тяжёлых частиц, включая W-бозоны и t-кварки. Это делает их крайне маловероятными, но одновременно превращает в чувствительный инструмент для поиска неизвестной физики. Если в таких квантовых процессах участвуют ещё не открытые частицы, то они могут изменить вероятность распада, даже если энергии ускорителя недостаточно для их непосредственного рождения. По оценкам авторов исследования, подобные измерения позволяют проверять новые физические взаимодействия на энергетических масштабах до 100 ТэВ — значительно выше энергии прямых столкновений частиц на БАК.
История поиска началась в 1984 году, когда эксперимент CLEO впервые установил верхнюю границу вероятности распада B⁰-мезона на два мюона. В последующие десятилетия физики неоднократно возвращались к этой задаче. Предыдущие поиски не смогли подтвердить распад, а наиболее строгий экспериментальный предел перед новой работой составлял 1,6 случая на 10 миллиардов. Теперь коллаборация LHCb получила первые свидетельства этого процесса в рамках одного эксперимента. Однако этот результат ещё не считается окончательным открытием: статистическая значимость 3,2 стандартного отклонения указывает на наличие распада, но не позволяет исключить случайную флуктуацию данных с необходимой для открытия надёжностью.
Для анализа учёные использовали данные третьего сеанса работы БАК (Run 3), собранные в 2024–2025 годах при энергии столкновений 13,6 ТэВ в системе центра масс. Общий объём данных соответствует интегральной светимости 18 обратных фемтобарн: эта величина характеризует накопленное количество столкновений и позволяет оценить, сколько редких событий мог зарегистрировать эксперимент. Важную роль сыграл модернизированный детектор LHCb Upgrade I, впервые использованный для анализа распадов B-мезонов на два мюона. Его обновлённая система регистрации частиц предназначена для работы при более высокой интенсивности столкновений: допустимая мгновенная светимость увеличилась в 5 раз по сравнению с прежним детектором. Вместо аппаратного первого уровня отбора событий теперь используется полностью программная система, а усовершенствованные детекторы треков и мюонов помогают точнее определять тип частиц и отсеивать фон.
Чтобы выделить редкие распады среди огромного количества других событий, команда применила алгоритм машинного обучения — градиентный классификатор на основе деревьев решений (BDT). Он анализирует характеристики траекторий частиц, точки их рождения и распада, а также окружение кандидатов на распад. В частности, настоящий B-мезон, распавшийся на два мюона, обычно оказывается более изолированным от других частиц, чем случайные комбинации мюонов, возникающие в результате фоновых процессов. Кроме того, учёные разделили события на 5 категорий по качеству классификации и одновременно анализировали распределения инвариантной массы пар мюонов. Такой подход позволил повысить чувствительность к сигналу, который в противном случае почти терялся бы на фоне других распадов.
Параллельно физики измерили характеристики родственного, но более распространённого распада Bₛ⁰-мезона на два мюона. Его вероятность составила 3,31 случая на 1 миллиард против предсказанных Стандартной моделью 3,66 случая на 1 миллиард. Объединение новых данных с результатами предыдущих сеансов работы ускорителя дало значение 3,25 случая на 1 миллиард. Это самое точное на сегодняшний день измерение вероятности данного распада в рамках одного эксперимента. Учёные также определили его эффективное время жизни — величину, характеризующую распределение времени между рождением мезона и его распадом. В новых данных оно составило 1,42 пикосекунды, а с учётом предыдущих измерений — 1,60 пикосекунды.
Измерение времени жизни особенно важно, поскольку оно позволяет искать отклонения от Стандартной модели, которые могут остаться незамеченными при сравнении только вероятностей распада. Bₛ⁰-мезон существует в виде двух состояний с немного различающимися массами и временами жизни. В рамках Стандартной модели распад на два мюона преимущественно связан с более долгоживущим состоянием. Новые физические взаимодействия, например, связанные с дополнительными скалярными бозонами Хиггса, тяжёлыми нейтральными векторными бозонами Z′ или лептокварками, могут изменить соотношение вкладов этих состояний и тем самым повлиять на измеряемое время жизни. Таким образом, одновременное измерение вероятности распада и времени жизни предоставляет физикам два независимых способа для поиска возможных отклонений.
Несмотря на многолетние поиски и получение первых доказательств распада B⁰-мезона на два мюона, все новые измерения согласуются с предсказаниями Стандартной модели. Это не означает, что поиск неизвестных частиц завершён: напротив, высокая точность измерений позволяет ограничивать свойства гипотетических взаимодействий, которые невозможно непосредственно проверить на ускорителе. Для LHCb этот результат стал одновременно первой проверкой распадов B-мезонов на два мюона с помощью модернизированного детектора Upgrade I и продемонстрировал, насколько далеко эксперимент продвинулся в исследовании процессов, вероятность которых составляет всего несколько случаев на миллиарды распадов.
8 ноября 2026, 15:33Наука и космосCERNDarth SaharaСтандартная модельФизика элементарных частицКвантовая физикаБольшой адронный коллайдерИсточники:arXiv
Не пропускайте наши новостиДобавьте сайт в предпочитаемые источники, чтобы видеть нас чащеДобавить в Google
Источник