Вчені отримали свідчення надзвичайно рідкісного розпаду частинки

Що таке «зептовсесвіт» і який процес шукають фізики

Зі збільшенням чутливості прискорювачів частинок, зокрема Великого адронного колайдера CERN, науковці можуть досліджувати дедалі менші масштаби матерії. Один із напрямів таких пошуків називають «зептовсесвітом» — умовною назвою фізики на зептометрових масштабах. Там можуть ховатися невідомі частинки або сили, які допоможуть краще зрозуміти фундаментальні властивості Всесвіту.

Команда LHCb досліджувала розпад мезона Bd на мюон і антимюон. Цей мезон складається з кварка типу beauty та антикварка down. Кварки — фундаментальні складові матерії, з яких, зокрема, утворюються протони й нейтрони. Кварки beauty не трапляються в природі сьогодні, але могли бути поширеними в ранньому Всесвіті. У лабораторії їх можна створити під час зіткнень протонів на високих швидкостях. Народжені таким чином кварки майже миттєво об’єднуються за допомогою сильної ядерної взаємодії, утворюючи мезони.

Ці частинки нестабільні й існують приблизно півтори трильйонної частки секунди. Лише один із приблизно десяти мільярдів відповідних розпадів мезона Bd дає пару з мюона та антимюона. Самі мюони також нестабільні й розпадаються приблизно за дві мільйонні частки секунди.

Як вдалося побачити настільки рідкісну подію та що це означає для фізики

Експеримент LHCb отримав змогу шукати такі процеси завдяки модернізації, яка збільшила швидкість реєстрації зіткнень частинок. Додаткову роль відіграли алгоритми машинного навчання: вони допомогли відокремлювати корисний сигнал від фонових подій. Для спостережень використовували, зокрема, детектор VELO, розташований менш ніж за ширину пальця від пучка частинок. Це дає змогу точніше відстежувати нестабільні частинки, що виникають після зіткнень майже на швидкості світла.

Нові дані, зібрані у 2024 та 2025 роках, об’єднали з результатами попередніх спостережень за період 2011–2018 років. Сукупний результат досяг статистичної значущості 3,2 сигми. У фізиці частинок для відкриття зазвичай вимагають рівня 5 сигм. Показник 3,2 сигми є вагомим свідченням, але залишає більшу ймовірність того, що спостережуваний сигнал виник випадково. Тому потрібні додаткові дані, щоб підтвердити розпад.

Поки що результати узгоджуються з передбаченнями Стандартної моделі — теорії, яка описує більшість відомих фундаментальних частинок і їхніх взаємодій. Водночас вона не пояснює природу темної матерії та перевагу матерії над антиматерією у Всесвіті. Надзвичайно рідкісні розпади можуть допомогти шукати нову фізику опосередковано, адже вплив невідомої частинки може проявитися у зміні ймовірності вже відомих процесів.

У 2030-х роках заплановані модернізації мають збільшити кількість зіткнень на LHC на порядок, що дасть змогу зібрати значно більше даних. Це може допомогти довести статистичну значущість нинішнього результату до необхідного рівня та перевірити, чи приховує рідкісний розпад відхилення від Стандартної моделі. Отже, фізики поки не відкрили нову частинку або невідому силу, але вперше отримали переконливі свідчення процесу, який десятиліттями залишався недосяжним для експериментів.