Фізики колаборації LHCb на Великому адронному колайдері CERN повідомили про свідчення надзвичайно рідкісного розпаду елементарної частинки, за яким науковці полювали понад сорок років. Новий результат узгоджується зі Стандартною моделлю фізики частинок, повідомляє Sci.News.
Йдеться про розпад мезона B0 (також позначається B0d або Bd) — короткоживучої частинки, що містить «красивий» (beauty, або b) кварк, — на пару мюонів, важчих «родичів» електрона. За розрахунками Стандартної моделі, такий процес має відбуватися приблизно один раз на кожні 10 мільярдів розпадів мезона B0.
Розпад, якого чекали з 1980-х
Пошук цього розпаду стартував ще у 1984 році, коли експеримент CLEO вперше встановив верхню межу його ймовірності. Відтоді різні установки намагалися «впіймати» ці події на фоні величезної кількості інших розпадів.
«У цих останніх результатах ми виявили неймовірно рідкісний розпад однієї з цих beauty-частинок, коли вона перетворюється на дві ще менші частинки, які називаються мюонами», — пояснює фізик Кембриджського університету Гаррі Кліфф (Harry Cliff). — «Цей процес трапляється лише в одного з кожних десяти мільярдів мезонів beauty, тож його надзвичайно важко знайти».
У статті, поданій до журналу Physical Review X, команда повідомляє про надлишок подій такого типу над очікуваним фоном зі статистичною значущістю 3,0 стандартних відхилення. Коли до нового набору даних додають попередні результати LHCb, значущість зростає до 3,2 сигми.
«Коли ми вперше побачили результат, це був по-справжньому хвилюючий момент, — згадує Кліфф. — Побачити щось, що люди шукали ще до мого народження, — справжня привілея». Він додає, що команда «стукає у двері зептовсесвіту» (Zeptoverse) — масштабів, де досліджуються надзвичайно короткі відстані й часи.
Наскільки рідкісним є цей процес
Фізики LHCb виміряли так звану гілкову частку (branching fraction) — частку мезонів B0, які розпадаються саме таким чином. Для нового набору даних вона становить приблизно 1,26 випадку на 10 мільярдів розпадів B0, зі статистичною невизначеністю близько 0,5 на 10 мільярдів.
Для порівняння, Стандартна модель передбачає значення близько 1,03 на 10 мільярдів. Якщо об’єднати нові вимірювання з попередніми даними LHCb, отримують гілкову частку 1,14 на 10 мільярдів, що добре узгоджується з теорією в межах похибок.
«Фізики переслідують цей розпад понад сорок років, — зазначає Марко Сантімарія (Marco Santimaria) з Національних лабораторій Фраскаті (INFN). — Потрібна надзвичайна точність, щоб виділити мюони на тлі приголомшливого фону».
«Сестринський» розпад мезона B0s
Окрім розпаду B0→μ+μ−, дослідники також уточнили параметри «сестринського» процесу — розпаду важчого мезона B0s на пару мюонів. Цей канал трапляється частіше, але все одно залишається вкрай рідкісним.
Команда LHCb отримала для нього гілкову частку 3,31 випадку на мільярд, тоді як Стандартна модель передбачає близько 3,66 на мільярд. Автори підкреслюють, що це наразі найточніше вимірювання цього параметра.
Також було визначено ефективний час життя мезона B0s у цьому каналі розпаду — величину, чутливу до можливих внесків «нової фізики» за межами Стандартної моделі. Новий результат становить 1,42 пікосекунди (трильйонні частки секунди) з статистичною невизначеністю 0,18; разом із попередніми даними LHCb отримують 1,60 пікосекунди.
Крок до глибшого розуміння фундаментальної фізики
Учасники колаборації наголошують, що ці результати демонструють новий рівень чутливості експерименту LHCb до рідкісних процесів.
«LHCb — це велика історія успіху CERN, у якій Оксфорд відіграє провідну роль ще з моменту зародження проєкту у 1995 році», — говорить фізик Оксфордського університету Ґай Вілкінсон (Guy Wilkinson). — «Сьогоднішнє оголошення відкриває нову еру відкриттів для експерименту й наочно демонструє підвищену чутливість у нашому прагненні зазирнути за межі нинішнього розуміння фундаментальної фізики».
Професор Тім Ґершон (Tim Gershon) з Університету Ворика додає, що цей «фантастичний результат» показує виняткові можливості LHCb досліджувати природу на найглибшому рівні.
Робота колаборації LHCb, очолювана Р. Аайєм (R. Aaij) та співавторами, описана у статті «Evidence for the decay B0→μ+μ− and improved measurements of the decay B0s→μ+μ−», яка готується до публікації в журналі Physical Review X і доступна як препринт на arXiv.