Большой адронный коллайдер обнаружил возможную трещину в Стандартной модели физики после пятидесяти лет безошибочных предсказаний

Более полувека Стандартная модель оставалась самой точной научной теорией в истории человечества. Она предсказала существование каждой фундаментальной частицы, которую учёные когда-либо обнаруживали. Она объяснила три из четырёх фундаментальных сил. Но теперь в этой теории, выдержавшей проверку временем и тысячами экспериментов, возможно, появилась трещина.

Физики из эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе опубликовали результаты, которые ставят под сомнение всё, что считалось незыблемым. Расхождение между измеренными данными и предсказаниями Стандартной модели достигло четырёх стандартных отклонений. На языке статистики это означает: вероятность того, что такое отклонение является случайной флуктуацией данных, составляет одну шестнадцатитысячную. Если бы Стандартная модель была полностью верна, такой сильный выброс практически не мог бы произойти.

Аномалию обнаружили в чрезвычайно редком процессе — так называемом электрослабом «пингвиньем» распаде. В этом процессе B-мезон превращается в четыре другие субатомные частицы: каон, пион и два мюона. Такое превращение случается лишь однажды на миллион B-мезонных столкновений. И именно эта редкость делает распад уникально чувствительным к влиянию неизвестных частиц, которые даже коллайдер не может создать напрямую — они слишком тяжёлые.

Исследователи тщательно измерили углы вылета частиц и частоту, с которой происходит распад. Оба измерения разошлись с предсказаниями Стандартной модели.

Результат пока не дотягивает до «золотого стандарта» открытия — пяти сигм, что соответствует вероятности случайности одна к одному миллиону семистам тысячам. Однако на помощь пришли данные второго независимого детектора — CMS. Ранее в две тысячи двадцать пятом году CMS опубликовала собственные измерения, которые, хотя и не столь точные, согласуются с результатами LHCb. Две разные машины, две независимые команды — и обе указывают на одно и то же расхождение в одном и том же месте.

Термин «пингвин» в физике элементарных частиц появился благодаря воображению исследователей. В расположении частиц при таком распаде можно с некоторой фантазией увидеть силуэт пингвина. Но за этой шутливой аналогией скрывается глубочайший физический смысл. Распад позволяет изучить, как один тип фундаментальной частицы — прелестный кварк — превращается в другой — странный кварк.

Такие «пингвиньи» процессы уникально чувствительны к влиянию потенциально очень тяжёлых новых частиц, которые невозможно создать напрямую даже на коллайдере. Эти гипотетические частицы могут всё же оказывать измеримое влияние на распады, накладываясь на небольшой вклад Стандартной модели. Сам способ такого непрямого наблюдения не нов. Радиоактивность была открыта за восемьдесят лет до того, как были непосредственно обнаружены фундаментальные частицы, ответственные за неё — W-бозоны.

Что может скрываться за аномалией? У физиков есть несколько теоретических кандидатов. Один из главных — гипотетические частицы под названием лептокварки. Если они существуют, они объединяют два разных типа материи — лептоны и кварки — которые в Стандартной модели напрямую не взаимодействуют. Другая возможность — частицы, являющиеся более тяжёлыми аналогами уже известных частиц Стандартной модели.

Однако остаются открытые теоретические вопросы. Самый серьёзный связан с так называемыми «очарованными пингвинами» — набором процессов, существующих в рамках самой Стандартной модели, вклад которых чрезвычайно сложно точно вычислить. Недавние оценки этих процессов показывают, что их эффекты недостаточно велики, чтобы объяснить аномалию. Более того, комбинация теоретических моделей и экспериментальных данных от LHCb предполагает, что Стандартная модель с трудом объясняет полученные результаты.

Что дальше? В текущем анализе учёные изучили примерно шестьсот пятьдесят миллиардов распадов B-мезонов, зарегистрированных между две тысячи одиннадцатым и две тысячи восемнадцатым годами. С того момента детектор LHCb набрал уже в три раза больше данных. А в течение две тысячи тридцатых годов планируется увеличить набор данных ещё в пятнадцать раз благодаря модернизации коллайдера.

Эти новые данные позволят сделать окончательные выводы. Если аномалия подтвердится, физиков ждёт нечто большее, чем просто открытие новой частицы. Это будет означать, что Стандартная модель — основа современного понимания материи — требует пересмотра или даже замены. И что Вселенная устроена сложнее, чем мы могли себе представить последние пятьдесят лет.

Вопрос, который остаётся без ответа, можно сформулировать так: что именно вызывает это расхождение? Являются ли «пингвиньи» распады первым намёком на новую фундаментальную силу или новый тип частиц? Или же более точные вычисления «очарованных пингвинов» в конце концов объяснят аномалию в рамках самой Стандартной модели? Пока детекторы набирают статистику, а теоретики уточняют расчёты, дверь в новую физику остаётся приоткрытой. И свет, просачивающийся из этой щели, становится всё ярче.