Физики ЦЕРНа обнаружили возможные признаки новой физики за пределами Стандартной модели

Стандартная модель физики элементарных частиц более полувека остается главным инструментом для описания устройства материи и фундаментальных взаимодействий. Именно она объясняет поведение кварков, лептонов, бозонов и трех из четырех фундаментальных сил природы. Однако ученые давно понимают, что эта теория неполна. Она не учитывает гравитацию, не объясняет природу темной материи и не отвечает на ряд вопросов о происхождении Вселенной. Теперь физики, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, получили новые данные, которые могут стать одним из самых серьезных намеков на существование «новой физики» за последние годы.

Исследователи из эксперимента LHCb сообщили о необычном поведении редких распадов B-мезонов — нестабильных частиц, содержащих так называемый красивый кварк. Эти частицы живут крайне недолго и быстро распадаются на более легкие компоненты. Именно анализ подобных распадов считается одним из наиболее чувствительных способов поиска процессов, которые невозможно объяснить в рамках существующей теории.

Большой адронный коллайдер представляет собой гигантский ускоритель частиц длиной 27 километров, расположенный под границей Франции и Швейцарии. Внутри кольцевого туннеля пучки протонов разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом. В результате таких столкновений рождаются тысячи новых частиц, среди которых иногда возникают крайне редкие процессы, представляющие особый интерес для физиков.

Новая работа посвящена так называемым «пингвиновым распадам» B-мезонов. Несмотря на необычное название, речь идет о сложных квантовых процессах, в которых красивый кварк превращается в странный кварк через промежуточные виртуальные взаимодействия. Свое название процесс получил из-за схематического изображения диаграмм взаимодействия, которое физикам когда-то напомнило силуэт пингвина.

Такие распады происходят чрезвычайно редко: примерно один случай на миллион распадов B-мезонов. Именно поэтому они особенно ценны для науки. Даже минимальное влияние неизвестных частиц или новых сил может заметно изменить вероятности и параметры этих процессов. Физики тщательно изучили энергии, направления движения и углы вылета частиц, возникающих после распада, и обнаружили статистически значимое расхождение с предсказаниями Стандартной модели.

Полученный результат достиг уровня четырех стандартных отклонений. На языке физики элементарных частиц это означает, что вероятность случайного появления подобного отклонения составляет примерно один случай на 16 тысяч. Хотя для официального открытия требуется уровень в пять сигма, соответствующий вероятности случайности около одного к 1,7 миллиона, ученые считают новые данные крайне важными.

Особое внимание исследователей привлекает тот факт, что похожие сигналы ранее фиксировал другой эксперимент Большого адронного коллайдера — CMS. Хотя его измерения обладают меньшей точностью, результаты хорошо согласуются с наблюдениями LHCb. Совпадение данных двух независимых экспериментов значительно усиливает интерес к обнаруженной аномалии.

Стандартная модель считается одной из самых успешных научных теорий в истории. Она позволила предсказать существование многих частиц задолго до их открытия, включая бозон Хиггса, обнаруженный в 2012 году. Тем не менее ученые давно надеются найти процессы, которые нарушают ее предсказания. Именно такие отклонения могут указать путь к более глубокой теории устройства материи.

Среди возможных объяснений обсуждаются гипотетические частицы, которые пока никогда не наблюдались напрямую. Одними из главных кандидатов считаются лептокварки — экзотические объекты, способные объединять свойства кварков и лептонов. Некоторые теоретические модели также предполагают существование более тяжелых аналогов известных бозонов или новых взаимодействий, которые проявляются только на экстремально высоких энергиях.

Интересно, что новые частицы не обязательно должны рождаться напрямую в коллайдере. Даже если их масса слишком велика для непосредственного обнаружения, они могут косвенно влиять на редкие распады через квантовые эффекты. Именно поэтому исследование B-мезонов стало одним из наиболее перспективных направлений современной физики высоких энергий.

При этом ученые подчеркивают, что окончательные выводы делать пока рано. Существуют сложные процессы внутри самой Стандартной модели, которые крайне трудно рассчитывать с высокой точностью. Одним из главных источников неопределенности остаются так называемые «очаровательные пингвины» — дополнительные квантовые эффекты, способные влиять на результаты распадов. Однако последние теоретические оценки показывают, что их вклад, вероятно, недостаточен для полного объяснения наблюдаемой аномалии.

Для нынешнего анализа исследователи обработали около 650 миллиардов распадов B-мезонов, зарегистрированных с 2011 по 2018 год. Но это лишь часть доступной информации. После модернизации Большого адронного коллайдера эксперимент LHCb уже собрал примерно втрое больше данных. В ближайшие годы ученые смогут значительно повысить точность измерений и проверить, действительно ли обнаруженное расхождение связано с новой физикой.

В 2030-х годах ЦЕРН планирует дальнейшее обновление ускорительного комплекса. Будущие версии экспериментов позволят увеличить объем данных более чем в 15 раз по сравнению с первоначальным набором. Если аномалия сохранится и усилится, физика элементарных частиц может оказаться на пороге крупнейшего открытия со времен создания Стандартной модели.

Сегодня исследование редких распадов B-мезонов рассматривается как одно из самых перспективных направлений в поиске новой фундаментальной теории. Возможное обнаружение неизвестных взаимодействий или новых частиц способно изменить представления человечества о материи, пространстве, энергии и происхождении Вселенной.