Редкий распад бариона открывает новые тайны
В бесконечном танце частиц, из которых соткана наша Вселенная, самые сокровенные тайны часто скрываются не в громких столкновениях, а в почти незаметных, призрачных процессах — редких распадах, которые происходят раз на триллионы случаев. Именно они, едва уловимые даже самыми совершенными приборами, могут содержать ключи к фундаментальным загадкам мироздания: почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии, и что лежит за пределами нашего текущего понимания физики, описываемой Стандартной моделью. Одним из таких процессов стал крайне редкий распад скромного бариона, за которым ученые охотились два десятилетия, и который теперь, наконец, был пойман в невероятно сложной паутине детекторов коллаборации LHCb.
Недавно опубликованное в журнале Physical Review Letters открытие коллаборации LHCb представляет собой кульминацию многолетних поисков. Речь идет о первом однозначном наблюдении редчайшего процесса распада бариона сигма-плюс (Σ⁺) на протон и пару мюонов с противоположными зарядами (Σ⁺ → pμ⁺μ⁻). Исторический контекст этого открытия уходит корнями в 2005 год, когда эксперимент HyperCP в Фермилабе зафиксировал три события, интерпретированные как возможные свидетельства этого же распада.
Тогда результаты вызвали сенсацию в научном сообществе, поскольку свойства зарегистрированных мюонных пар указывали на возможное существование неизвестной промежуточной частицы, гипотетической новой силы природы, не предсказанной Стандартной моделью. Это породило волну теоретических исследований и поставило перед физиками задачу подтвердить или опровергнуть эти смелые предположения.
Эксперимент LHCb в ЦЕРНе, специально созданный для изучения частиц, содержащих b-кварки, и поиска новой физики в редких распадах, оказался идеальным инструментом для решения этой задачи. Благодаря беспрецедентной светимости Большого адронного коллайдера и возможностям специализированного детектора, ученые получили доступ к невообразимо огромной выборке данных. Как объяснил Габриэле Мартелли, научный сотрудник INFN в Перудже, за период с 2016 по 2018 год в результате протонных столкновений было рождено примерно сто триллионов (10¹⁴) барионов Σ⁺. Это создало необходимую почву для поиска иголки в большом стоге сена, ведь искомый распад происходит чрезвычайно редко.
Поиск такого распада требовал не только огромной статистики, но и сложных методов анализа. Характерной чертой распада является относительно большое время жизни Σ⁺-бариона, который успевает пролететь в детекторе несколько сантиметров, прежде чем распасться, образуя так называемую вторичную вершину. Заряженные продукты распада — протон и два мюона — оставляют четкие следы в детекторе. Однако главной трудностью был гигантский фон из случайных комбинаций других частиц, которые могли имитировать искомый сигнал. Для борьбы с этим шумом физики успешно применили передовые методы машинного обучения, которые позволили с высокой точностью отсеять ложные срабатывания.
В результате этой кропотливой работы коллаборации LHCb удалось не просто подтвердить сам факт распада, но и наблюдать его несколько сотен раз. Это выдающееся достижение, которое переводит изучение данного процесса из области единичных случайных событий в область точных измерений. Теперь у ученых есть достаточно данных, чтобы с высокой точностью измерить вероятность (скорость) этого распада и детально изучить его кинематические характеристики, чтобы сравнить их с предсказаниями Стандартной модели.
Как отметил профессор Франческо Деттори, история физики элементарных частиц не раз демонстрировала, что редкие распады служат мостом к открытиям. Ярчайший пример — открытие очарованного кварка, которое было предсказано именно для объяснения низкой вероятности распада каонов.
Однако на этом история не заканчивается. Это открытие — не конечная точка, а старт для новой главы исследований. Модернизированный детектор LHCb, уже собирающий данные с 2023 года, обладает еще большей чувствительностью. Ожидается, что он зарегистрирует уже тысячи подобных распадов. Это откроет возможность изучать не только вероятность распада, но и такие тонкие эффекты, как нарушение CP-инвариантности (асимметрия между материей и антиматерией) в этом процессе.
Сравнивая распады Σ⁺-бариона и его античастицы, ученые надеются найти ключи к разгадке одной из величайших тайн современной науки — почему видимая Вселенная состоит почти исключительно из материи, хотя в момент Большого взрыва они должны были быть созданы в равных количествах. Таким образом, наблюдение этого редчайшего распада открывает новое окно в неизведанный мир и прокладывает путь к потенциально революционным открытиям на грани известной физики.