Физики зафиксировали самый редкий распад частиц в истории

Ученые коллаборации LHCb, работающей на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, впервые наблюдали крайне редкий процесс — распад бариона сигма-плюс (Σ⁺) на протон и две мюонные частицы противоположного заряда. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL).

Барионы — это частицы, состоящие из трех кварков, связанные между собой сильным взаимодействием. Именно они формируют привычное вещество во Вселенной, поэтому их нестандартные превращения могут указывать на существование физики за пределами Стандартной модели.

Интерес к этому процессу возник еще в 2005 году после эксперимента HyperCP в Фермилабе (США), где физики зафиксировали всего три кандидата на распад Σ⁺ с образованием протона и пары мюонов. Необычным оказалось то, что все три случая указывали на одинаковую массу мюонной пары — что намекало на возможное существование неизвестной промежуточной частицы.

«Мы анализировали данные, собранные в 2016–2018 годах при протон-протонных столкновениях. За это время в эксперименте родилось около ста триллионов Σ-барионов, среди которых мы и искали следы редкого распада», — рассказал Габриэле Мартелли из Национального института ядерной физики в Перудже.

Отличительной особенностью Σ⁺ является сравнительно большая «длина жизни»: частица может распасться на десятки сантиметров дальше от точки столкновения. Это облегчает поиск, но одновременно создает помехи — случайные комбинации частиц, способные имитировать нужный сигнал. Для их отсева физики применили алгоритмы машинного обучения.

В результате удалось зафиксировать сотни распадов Σ⁺ — и это самый редкий распад бариона, наблюдавшийся до сих пор.

«Теперь мы можем сравнить вероятность и свойства этого процесса с предсказаниями Стандартной модели, — пояснил профессор Франческо Деттори из Университета Кальяри. — Исторически именно редкие распады помогали открывать новые частицы задолго до того, как ускорители смогли бы создать их напрямую».

Следующий шаг коллаборации — изучение различий в распадах материи и антиматерии (CP-нарушение). Это может дать ключ к пониманию того, почему во Вселенной существует асимметрия: вещества заметно больше, чем антивещества.