Большой адронный коллайдер зафиксировал аномалии в «пингвиньих распадах», которые не объясняет Стандартная модель

От редакции. Физики, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, обнаружили новые аномалии в поведении элементарных частиц. Они изучали распад B-мезонов — нестабильных частиц, содержащих beauty-кварк. В редких случаях такие частицы распадаются на каон, пион и два мюона. Этот процесс получил название «пингвиний распад» — схема взаимодействия частиц отдалённо напоминает силуэт пингвина. Учёные измерили углы, энергии и частоту таких распадов. Результаты не совпали с предсказаниями Стандартной модели — главной теории, описывающей элементарные частицы. Расхождение достигло уровня четырёх стандартных отклонений (4 сигма). Вероятность случайной ошибки — примерно 1 к 16 тысячам. Для официального открытия нужно 5 сигма (1 к 1,7 миллиона). Но похожие аномалии ранее обнаружил и другой эксперимент БАК — CMS. Мы собрали данные об этом открытии и задали вопрос: если Стандартная модель, почти 50 лет считавшаяся главной теорией мироздания, даёт сбои в одном и том же месте в двух независимых экспериментах — то сколько ещё «пингвиньих распадов» скрывается в данных, которые физики пока не научились замечать?

Стандартная модель уже около 50 лет считается главной теорией, описывающей элементарные частицы и их взаимодействия. Учёные давно знают: она неполна. Она не объясняет гравитацию. Она не объясняет природу тёмной материи. Она не объясняет, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Но до недавнего времени во всех экспериментах, которые могли её проверить, она подтверждалась с высокой точностью.

Теперь появилось новое расхождение.

Эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере — 27-километровом ускорителе частиц на границе Франции и Швейцарии — изучал распад B-мезонов. B-мезоны — это нестабильные частицы, содержащие так называемый beauty-кварк (иногда его называют «прелестным» кварком). В подавляющем большинстве случаев они распадаются по предсказуемым каналам. Но в некоторых — крайне редким способом: на каон, пион и два мюона.

Этот процесс в физике называют «пингвиньим распадом». Название появилось в 1970-х годах, когда физик Джон Эллис нарисовал схему взаимодействия частиц, которая отдалённо напоминала силуэт пингвина. Название закрепилось. Под ним скрываются сложные квантовые процессы, в которых виртуальные частицы возникают и исчезают на микроскопических долях секунды.

Учёные измерили углы, энергии и частоту таких распадов. И обнаружили: результаты не совпадают с предсказаниями Стандартной модели. Расхождение достигло уровня четырёх стандартных отклонений (4 сигма). Это означает, что вероятность того, что аномалия возникла из-за случайной статистической ошибки, составляет примерно 1 к 16 тысячам.

Для физики элементарных частиц это серьёзный показатель. Но не окончательный. Порог для официального открытия — 5 сигма. Это вероятность случайности около 1 к 1,7 миллиона. Однако исследователи считают результаты очень важными по одной причине: похожие аномалии ранее обнаружил другой эксперимент на БАК — CMS. Два независимых детектора видят нечто, не вписывающееся в теорию, в одном и том же месте.

Среди возможных объяснений учёные рассматривают существование гипотетических частиц — лептокварков. Они объединяют свойства кварков (из которых состоят протоны и нейтроны) и лептонов (к которым относятся электроны и мюоны). В Стандартной модели кварки и лептоны взаимодействуют, но не смешиваются. Если лептокварки существуют, это будет означать, что фундаментальные взаимодействия устроены сложнее, чем считалось.

Другая возможность — существование более тяжёлых аналогов уже известных частиц. Нечто похожее на то, как за электроном и мюоном был обнаружен тау-лептон — более тяжёлая версия того же типа частиц.

При этом физики подчёркивают: окончательные выводы делать пока рано. Одна из главных проблем — так называемые «очарованные пингвины». Это сложные процессы внутри самой Стандартной модели, вклад которых в распад B-мезонов пока трудно точно рассчитать. Если теоретики недооценили этот вклад, аномалия может исчезнуть после более точных вычислений.

Но если не исчезнет — это будет означать, что Стандартная модель, почти полвека бывшая главной теорией мироздания, дала трещину. И что на её месте или рядом с ней существует нечто новое. Неизвестная физика. Частицы, которых никто не предсказывал. Взаимодействия, которые не вписываются в существующие уравнения.

Вопрос остаётся открытым: сколько ещё «пингвиньих распадов» скрывается в данных, которые физики пока не научились замечать? И когда количество аномалий перейдёт в новое качество — переворот в нашем понимании того, из чего на самом деле состоит материя?