2832
Фізики з Манчестерського університету у Великій Британії повідомили про виявлення надзвичайно рідкісного розпаду елементарної частинки, який шукають понад 40 років. На детекторі LHCb у ЦЕРН їм вдалося зафіксувати розпад кварка краси на два мюони, що, за оцінками, відбувається лише один раз на 10 мільярдів таких частинок. Про результати розповідає видання Interesting Engineering.
Це спостереження стало можливим після масштабної модернізації експерименту LHCb, яка суттєво збільшила обсяг даних, що збираються, і відкрила шлях до досліджень на зептометрових масштабах — відстанях порядку мільярдної частки трильйонної частки метра.
Що таке LHCb і чому він відрізняється від інших детекторів
Експеримент LHCb у Великому адронному колайдері (LHC) відрізняється від детекторів ATLAS і CMS. Це так званий «фронтальний спектрометр»: замість того, щоб реєструвати частинки в усіх напрямках, він зосереджується на вузькій ділянці вздовж пучка, де зручно вивчати поведінку й розпади кварків краси та чарівності.
Кварки краси важчі за звичайні «верхні» та «нижні» кварки, з яких складаються протони й нейтрони, і в LHC вони утворюються у великій кількості. Водночас їхнє життя надзвичайно коротке — близько півтори трильйонної частки секунди, після чого вони розпадаються на інші частинки.
Протягом більш ніж півтора десятиліття дослідники з Манчестера брали участь у модернізації LHCb. Оновлена установка тепер може збирати дані в п’ять разів швидше, ніж раніше, що критично важливо для пошуку надрідкісних процесів.
Як вдалося побачити розпад «Bd → μμ»
Точні вимірювання розпадів кварка краси дають змогу виявляти вплив нових, ще невідомих частинок. Навіть якщо такі частинки занадто масивні або рідкі, щоб їх створити безпосередньо в колайдері, вони можуть «підправляти» ймовірності певних розпадів. Чим рідкісніший розпад, тим чутливіший він до подібних ефектів.
Ключовим внеском Великої Британії в оновлення LHCb став так званий Vertex Locator — кремнієвий піксельний детектор, розташований усього за п’ять міліметрів від пучків частинок. Він дозволяє з великою точністю визначати, де саме в просторі народжуються й де розпадаються частинки.
Саме завдяки цьому пристрою команда змогла зафіксувати розпад типу «Bd → μμ», коли частинка, що містить кварк краси, перетворюється на два мюони. Мюони — це частинки, схожі на електрони, але дещо важчі. За розрахунками, такі розпади трапляються лише один раз на 10 мільярдів частинок краси, тож не дивно, що їх не вдавалося побачити раніше.
Керівник кафедри фізики й астрономії Манчестерського університету Кріс Паркс (Chris Parkes), який також брав участь в оновленні LHCb, порівняв імовірність такого розпаду з шансом на першому ж побаченні знайти «ідеального партнера» серед усіх людей на Землі.
Крок у «зептовсесвіт» і межі відкриття
Статистична значущість отриманого результату становить 3,2 сигма. Це менше за прийнятий у фізиці поріг у 5 сигма, необхідний, щоб оголосити «велике відкриття». Тому мова поки що йде саме про свідчення рідкісного процесу, а не про остаточно підтверджений факт.
Попри це, результат відкриває нові можливості для вивчення частинок і фундаментальних сил природи на відстанях порядку зептометра — це приблизно мільярдна частка трильйонної частки метра. Такий масштаб дослідники образно називають «зептовсесвітом».
Нинішні вимірювання узгоджуються зі Стандартною моделлю фізики — основною теорією, що описує відомі елементарні частинки й їхні взаємодії. Водночас подальші дослідження в «зептовсесвіті» можуть виявити відхилення від цієї моделі й натяки на нову фізику, яку вона не пояснює.
Заступник координатора з фізики колаборації LHCb Конор Фіцпатрік (Conor Fitzpatrick) зазначив, що результати розширюють наше розуміння природи на найфундаментальнішому рівні, а команда рада нарешті побачити цей невловимий сигнал і очікує нових відкриттів у майбутніх даних.
Оновлений експеримент LHCb продовжить збирати дані щонайменше до початку 2030-х років. Планується ще одна модернізація, яка може збільшити обсяг даних ще на порядок. Це дасть змогу з більшою точністю досліджувати рідкісні розпади й глибше зазирнути у світ частинок і сил у «зептовсесвіті».
Фізики вперше зафіксували надрідкісний розпад кварка краси на два мюони з’явилася спочатку на Цікавості.
