Аномалия распада B-мезонов: первые свидетельства новой физики за пределами Стандартной модели
Охота на пингвинов в Женеве.
Исследователи коллаборации LHCb, работающие на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе в Женеве, обнаружили аномалии в распаде B-мезонов, которые противоречат предсказаниям Стандартной модели. Результаты их работы, демонстрирующие отклонение на четыре стандартных сигмы, приняты к публикации в журнале Physical Review Letters и указывают на возможное существование неизвестных физических явлений за пределами текущей фундаментальной теории.
Недавние результаты, полученные на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, вызывают значительный интерес в научном сообществе, поскольку они могут сигнализировать о первом серьезном проколе в Стандартной модели, теории, которая на протяжении пятидесяти лет успешно описывает мир элементарных частиц.
Эксперимент LHCb, специализирующийся на изучении распадов частиц, содержащих b-кварки, предоставил данные, согласно которым поведение субатомных частиц не соответствует устоявшимся предсказаниям. В центре внимания оказались B-мезоны, нестабильные частицы, чей распад на каон, пион и два мюона был тщательно проанализирован. Этот конкретный тип превращения, известный как электромагнитный пингвиновый распад (penguin decay), является исключительно редким событием: Стандартная модель предсказывает лишь один такой распад на миллион B-мезонов.
Пингвиновый распад
Название «пингвиновый распад» (penguin decay) появилось в физике элементарных частиц благодаря неформальной обстановке и игре воображения, а не строгой научной терминологии. История этого термина восходит к началу 1990-х годов.
Согласно широко известной байке, физик Джон Эллис из ЦЕРНа вместе с коллегами работал над расчетами определенного типа распада B-мезонов. Вечером в пабе, обсуждая диаграммы Фейнмана, которые визуально представляют процессы взаимодействия частиц, кто-то заметил, что форма диаграммы с петлями и линиями отдаленно напоминает силуэт пингвина. Если включить воображение, то можно представить, что тяжелые кварки и глюоны образуют «тело» и «крылья», а внешние линии — «ласты» или «клюв» этой птицы.
Джону Эллису так понравилась эта аналогия, что он начал использовать термин «пингвин» в своих научных заметках и даже, как говорят, проставил маленькие рисунки пингвинов на полях рукописей. Чтобы сделать название более официальным, в одной из публикаций он добавил сноску, объясняющую происхождение термина, и сослался на «некоего знакомого из паба». Со временем шутливый термин прижился и стал стандартным обозначением для класса диаграмм Фейнмана, где кварк временно превращается в виртуальную петлю, а затем аннигилирует, порождая другие частицы.
Таким образом, название «пингвиновый» не имеет никакого отношения к биологии или свойствам самих частиц. Это классический пример того, как в науке случайная метафора, рожденная в неформальной беседе, может закрепиться в профессиональном лексиконе и использоваться десятилетиями для обозначения сложного, но важного класса физических процессов.
Анализируя углы и энергии образующихся при распаде частиц, физики зафиксировали расхождение между измеренными величинами и теоретическими предсказаниями. Отклонение было оценено в четыре стандартных отклонения, что означает вероятность случайного возникновения такого результата, если Стандартная модель верна, как один к шестнадцати тысячам.
Хотя золотым стандартом для открытия в физике частиц считается пять сигм (вероятность около одного к 1,7 миллиона), текущий показатель является чрезвычайно весомым доказательством, тем более что независимые, пусть и менее точные, результаты эксперимента CMS, опубликованные ранее в 2025 году, демонстрируют хорошее согласование с выводами LHCb.
Важно понимать, что сама по себе Стандартная модель, несмотря на свою элегантность, является неполной. Она не объясняет природу гравитации и не описывает темную материю, которая составляет примерно четверть Вселенной. Однако на протяжении более полувека она выдерживала все более жесткие проверки, и нынешняя аномалия может стать первым экспериментальным указанием на физику за пределами этой модели.
Пингвиновые распады уникальны тем, что они чрезвычайно чувствительны к влиянию гипотетических тяжелых частиц, которые невозможно напрямую создать даже на такой мощной установке, как БАК. Косвенное наблюдение их эффектов аналогично истории с радиоактивностью, которая была известна за восемьдесят лет до прямого открытия ответственных за нее W-бозонов.
Среди теоретических объяснений полученных данных рассматриваются различные сценарии. Наиболее перспективными выглядят модели, предсказывающие существование лептокварков, гипотетических частиц, которые объединяют два класса фундаментальных частиц: лептоны и кварки.
Также возможны варианты с тяжелыми аналогами уже известных частиц. Однако прежде чем объявить об открытии новой физики, ученым предстоит разрешить одну серьезную проблему, связанную с так называемыми очарованными пингвинами, сложными для вычисления процессами внутри самой Стандартной модели. Несмотря на то, что недавние оценки показывают недостаточность их вклада для объяснения аномалии, а комбинация теории и данных LHCb указывает на то, что Стандартная модель с трудом может воспроизвести наблюдаемые эффекты, окончательная ясность еще не достигнута.
В итоге анализ примерно 650 миллиардов распадов B-мезонов, зарегистрированных с 2011 по 2018 год, выявил устойчивое отклонение в пингвиновых распадах от предсказаний Стандартной модели.
Принимая во внимание подтверждающие данные от эксперимента CMS, а также тот факт, что с момента окончания анализа LHCb зарегистрировала в три раза больше событий, а будущие модернизации коллайдера в 2030-х годах позволят увеличить выборку в пятнадцать раз, научное сообщество стоит на пороге решающей проверки, которая может привести к фундаментальному пересмотру наших представлений об устройстве Вселенной.
Научная публикация:
LHCb collaboration: R. Aaij, A.S.W. Abdelmotteleb, C. Abellan Beteta et al, A comprehensive analysis of the B0 -> K*0μ+μ- decay, arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2512.18053
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
