Ученые объявили о результатах, которые могут подтвердить существование новой фундаментальной физики

Результаты, объявленные экспериментом LHCb в ЦЕРНе, выявили дальнейшие намеки на явления, которые не могут быть объяснены текущей теорией фундаментальной физики.

В марте 2020 года в том же эксперименте были получены свидетельства того, что частицы нарушают один из основных принципов Стандартной модели —  лучшую теорию частиц и сил — предполагая возможное существование новых фундаментальных частиц и сил.

Теперь дальнейшие измерения, проведенные физиками из Кэвендишской лаборатории Кембриджа, обнаружили аналогичные эффекты, что дает основания для новой физики.

Стандартная модель описывает все известные частицы, из которых состоит Вселенная, и силы, через которые они взаимодействуют. На сегодняшний день она прошла все экспериментальные испытания, но, тем не менее, физики знают, что она неполная. Она не включает в себя силу гравитации и не может объяснить, как материя образовалась во время Большого взрыва, и не содержит частиц, которые могли бы объяснить загадочную темную материю, которую, по данным астрономии, в пять раз больше, чем того вещества, из которого состоит обычная материя.

В результате ученые давно ищут признаки физики за пределами Стандартной модели, которые могли бы помочь решить некоторые из этих загадок.

Один из лучших способов поиска новых частиц и сил — изучение частиц, известных как прелестные кварки (beauty quarks). Это экзотические родственники верхних и нижних кварков, составляющих ядра каждого атома.

Прелестные кварки не существуют в большом количестве в мире, поскольку они невероятно недолговечны — в среднем они выживают всего одну триллионную долю секунды, прежде чем трансформируются или распадутся на другие частицы. Однако миллиарды таких кварков производятся каждый год на гигантском ускорителе частиц ЦЕРН, Большом адронном коллайдере, которые регистрируются специальным детектором под названием LHCb.

На то, как распадаются прелестные кварки, может влиять существование неоткрытых сил или частиц. В марте группа физиков из LHCb опубликовала результаты, свидетельствующие о том, что прелестные кварки распадались на частицы, называемые мюонами, реже, чем на их более легких собратьев, электронов.

Это невозможно объяснить в Стандартной модели, которая рассматривает электроны и мюоны одинаково, за исключением того факта, что электроны примерно в 200 раз легче мюонов. В результате прелестные кварки должны распадаться на мюоны и электроны с одинаковой скоростью. Вместо этого физики из LHCb обнаружили, что распад на мюоны происходит примерно на 85% чаще, чем распад на электроны.

Разница между результатом LHCb и Стандартной моделью составляла примерно три единицы экспериментальной ошибки, или «3 сигмы», как их называют в физике элементарных частиц. Это означает, что вероятность того, что результат был вызван статистической случайностью, составляет примерно один шанс из тысячи.

Если предположить, что результат верен, наиболее вероятное объяснение состоит в том, что новая сила, которая притягивает электроны и мюоны с разной силой, мешает распаду этих кварков. Однако для того, чтобы убедиться в реальности эффекта, необходимо больше данных, чтобы уменьшить экспериментальную ошибку. Только когда результат достигнет порога «5 сигм», когда вероятность того, что это вызвано случайной случайностью, составляет менее одного миллиона, физики элементарных частиц начнут считать это подлинным открытием.

«Тот факт, что мы наблюдали тот же эффект, что и наши коллеги в марте, безусловно, увеличивает шансы на то, что мы действительно находимся на грани открытия чего-то нового», — сказал Гарри Клифф из Кавендишской лаборатории. «Замечательно пролить немного света на загадку».

В последней работе были изучены два новых распада прелестных кварков из того же семейства распадов, которые использовались в мартовском результате при протон-протонных столкновениях. Команда ученых обнаружила тот же эффект — распад на мюоны происходил примерно на 70% чаще, чем на электроны. На этот раз ошибка больше, что означает, что отклонение составляет около «2 сигм», то есть вероятность того, что это связано со статистической ошибкой данных, составляет чуть более 2%. Хотя сам по себе результат не является окончательным, он добавляет дополнительную поддержку растущему количеству свидетельств того, что существуют новые фундаментальные силы, которые ждут своего открытия.

«Волнение вокруг Большого адронного коллайдера растет как раз в тот момент, когда будет включен модернизированный детектор LHCb и будут собраны дополнительные данные, которые предоставят необходимую статистику для утверждения или опровержения крупного открытия», — сказал профессор Вэл Гибсон из Кавендишской лаборатории.