Невероятно редкое событие, 13 из 100 миллиардов, намекает на новую физику

Ученые из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) наблюдали невероятно редкое событие, которое, возможно, намекает на новую физику за пределами Стандартной модели.

«Стандартная модель описывает фундаментальные силы и строительные блоки Вселенной. Это очень успешная теория, но есть несколько загадок Вселенной, которые Стандартная модель не объясняет, например, природа темной материи и происхождение дисбаланса материи и антиматерии во Вселенной», — говорит профессор Марк Томсон, председатель Совета по науке и технологиям и участник эксперимента NA62.

«Физики искали теоретические расширения Стандартной модели. Измерения ультраредких процессов открывают захватывающий путь для изучения этих возможностей в надежде открыть новую физику за пределами Стандартной модели».

Одним из ультраредких событий, исследуемых в эксперименте NA62, является распад заряженного каона на заряженный пион и пару нейтрино и антинейтрино. Каоны, также известные как К-мезоны, самые легкие из всех странных (то есть имеющих ненулевое квантовое число, называемое странностью) адронов. Протоны и нейтроны обычно состоят из трех кварков. Для протонов это два верхних кварка и один нижний кварк, для нейтронов — один верхний кварк и два нижних кварка. Каоны содержат два кварка, комбинации верхних кварков и анти-верхних кварков, странные и антистранные кварки.

Заряженные каоны (K⁺) состоят из верхнего кварка и антистранного кварка. Они представляют особый интерес, так как их распад очень точно предсказан Стандартной моделью. Согласно этим предсказаниям, менее 1 из 10 миллиардов заряженных каонов распадутся на заряженный пион и пару нейтрино-антинейтрино (K⁺ → π⁺νṽ). Эксперимент NA62 пытается найти этот распад путем столкновения пучка протонов высокой интенсивности с неподвижной мишенью, которая затем производит вторичные частицы, которые могут быть обнаружены, измерены и идентифицированы (хотя нейтрино идентифицируются по недостающей энергии).

В 2020 году физики сообщили о доказательствах этой редкой формы распада, обнаруженных в ходе эксперимента. Теперь, после гораздо большего количества столкновений, в том числе столкновений с более высокими энергиями, команда сообщает об обнаружении 5 сигм, что означает, что существует 0,00006-процентная вероятность того, что обнаружение является статистической случайностью.

«С помощью этого измерения K⁺ → π⁺νṽ становится самым редким распадом, установленным на уровне открытия — знаменитыми 5 сигм», — говорится в заявлении Кристины Лазцерони, профессора физики элементарных частиц в Университете Бирмингема. «Этот сложный анализ является результатом отличной командной работы, и я очень горжусь этим новым результатом».

Несмотря на то, что распад происходит редко, как и предсказывает Стандартная модель, он примерно на 50 процентов выше, чем ожидалось, и происходит примерно в 13 случаях на 100 миллиардов. Неясно, что вызывает такое расхождение между предсказаниями Стандартной модели и наблюдаемыми результатами, с возможными объяснениями, включающими новые частицы или новую физику, и то, и другое довольно захватывающе.

«Это кульминация долгого проекта, начатого более десяти лет назад. Поиск эффектов в природе, вероятность которых составляет порядка 10^-11, является увлекательной и сложной задачей», — добавил профессор Джузеппе Руджеро из Университета Флоренции. «После кропотливой работы мы получили ошеломляющую награду за наши усилия и добились долгожданного результата».

В то время как ученые объявили и представили результаты в ЦЕРНе, полные статьи и дальнейшие эксперименты будут опубликованы.

Команда представила свои выводы на семинаре ЦЕРНа.