ЦЕРН сообщает о первых свидетельствах ультра-редкого процесса

Ученые из ЦЕРНа сообщили о своих первых значительных доказательствах процесса, предсказанного теорией, открывая путь для поиска доказательств Новой физики в процессах частиц, которые могли бы объяснить темную материю и другие тайны Вселенной.

Сотрудничество CERN NA62 представило на конференции ICHEP 2020 в Праге первые значительные экспериментальные доказательства ультра-редкого распада заряженного каона* на заряженный пион и два нейтрино (т. е. K+ → π+νν).

Процесс распада важен в передовых физических исследованиях, потому что он очень чувствителен к отклонениям от теоретических предсказаний. Это означает, что это одна из самых интересных вещей, которые нужно наблюдать для физиков, ищущих доказательства в поддержку альтернативной теоретической модели в физике элементарных частиц.

Профессор Марк Томсон сказал, что это был захватывающий прогресс, потому что результат показывает, как точные измерения этого процесса могут привести к новой физике, выходящей за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц, разработанной в 1970-х годах:

— Стандартная модель описывает фундаментальные силы и строительные блоки Вселенной. Это очень успешная теория, но есть несколько тайн Вселенной, которые Стандартная модель не объясняет, таких как природа темной материи и происхождение дисбаланса материи и антивещества во Вселенной.

— Физики искали теоретические расширения Стандартной модели. Измерения ультра-редких процессов открывают захватывающий путь для изучения этих возможностей в надежде открыть новую физику, выходящую за рамки Стандартной модели.»

Эксперимент NA62 был разработан и построен специально для измерения ультра-редких распадов каонов, произведенных уникальным высокоинтенсивным протонным пучком, предоставленным ускорительным комплексом ЦЕРНа.

Каоны создаются путем столкновения высокоэнергетических протонов из Суперпротонного синхротрона ЦЕРНа (SPS) в стационарную бериллиевую мишень. Это создает пучок вторичных частиц, который содержит и распространяет почти миллиард частиц в секунду, около 6% из которых являются каонами. Основная цель NA62 — точно измерить, как заряженная частица каона распадается на пион и нейтрино–антинейтринную пару.

— Этот процесс распада каона называют «золотым каналом» из-за того, что он одновременно сверхредкий и прекрасно предсказан в Стандартной модели. Его очень трудно уловить и это имеет реальные перспективы для ученых, ищущих новую физику», — объясняет профессор Кристина Лаццерони, физик элементарных частиц из Бирмингемского университета и представитель NA62.

Впервые физики смогли получить значительные экспериментальные доказательства этого процесса распада. Это волнующий момент, потому что это фундаментальный шаг к захвату точного измерения распада и выявлению возможных отклонений от Стандартной модели.

«В свою очередь, это позволит нам найти новые пути понимания нашей Вселенной. Инструменты и методы, разработанные в эксперименте NA62, приведут к следующему поколению экспериментов по распаду редких каонов.» — говорят ученые.

Новый результат, измеренный с точностью до 30%, дает самое точное измерение на сегодняшний день этого процесса. Результат согласуется со стандартным математическим ожиданием модели, но все же оставляет место для существования новых частиц.

Необходимы дополнительные данные, чтобы прийти к окончательному выводу о наличии или отсутствии новой физики.

Новый результат получен в результате детального анализа полного набора данных NA62, собранного до сих пор, соответствующего экспозиции распадов каона 6×10¹². Поскольку измеряемый процесс встречается очень редко, команда ученых должна была быть особенно осторожной, чтобы не сделать ничего, что могло бы повлиять на результат. По этой причине эксперимент был проведен как «слепой анализ», где физики первоначально только смотрят на фон, чтобы проверить, что их понимание различных источников правильно.

Только когда они удовлетворены этим, они смотрят на область данных, где ожидается сигнал; это называется «слепой анализ». После слепого анализа в основном наборе данных, собранном в 2018 году, наблюдаются семнадцать кандидатов K+ → π+νν, что свидетельствует о значительном превышении ожидаемого фона только на 5,3 события.

Это превышение приводит к первым доказательствам этого процесса (со статистической значимостью выше уровня «три Сигмы»). Скорость распада, измеренная с точностью до 30%, дает наиболее точное измерение этого процесса на сегодняшний день.

Вероятность того, что этот процесс произойдет, называемый «коэффициентом ветвления», для ультра-редкого распада K+ → π+νν очень мала и предсказывается в рамках Стандартной модели физики элементарных частиц с высокой точностью: (8,4±1,0)×10^-11.

Это приводит к исключительной чувствительности к возможным явлениям, выходящим за рамки описания Стандартной модели, что делает этот распад одним из наиболее интересных наблюдаемых явлений на границе точности физики элементарных частиц.

Экспериментальное исследование, однако, является чрезвычайно сложным из-за скорости, двух нейтрино в конечном состоянии и огромных потенциальных фоновых процессов. Благодаря своим характеристикам эксперимент NA62 обладает превосходной чувствительностью к различным редким распадам каонов и экзотическим процессам.

Сотрудничество NA62 готовится собрать еще больший набор данных в 2021-24 годах, когда SPS ЦЕРНа возобновит свою работу, принимая данные с более высокой интенсивностью луча с улучшенной линией луча и настройкой детектора.

Следующая цель — наблюдение «пяти сигм » распада K+ → π+νν с последующим измерением скорости распада с точностью до 10%, что обеспечивает мощную независимую проверку Стандартной модели физики элементарных частиц.

В более долгосрочном будущем начинает формироваться программа высокоинтенсивного каонового пучка с перспективами измерения распада K + → π+νν с точностью до нескольких процентов, решения аналогичного распада нейтрального каона, KL → π0νν, и достижения экстремальной чувствительности к большому разнообразию редких распадов каона, которые дополняют исследования в секторе «прелестных кварков».

*Каон (или K-мезон) — мезон, содержащий один странный антикварк и один u- или d-кварк.