ЦЕРН нашёл свидетельство события с вероятностью один на десять миллиардов после 42 лет поисков
На Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе впервые зафиксировали признаки превращения частицы, содержащей b-кварк, в пару мюонов. По расчётам, такое превращение происходит примерно один раз на десять миллиардов распадов. Результат объявлен 3 ноября 2026 года: статистическая значимость — 3,2 сигма, тогда как для признания открытия требуется пять сигма.
B-кварк, который также называют «красивым», — один из фундаментальных компонентов, из которых состоят некоторые частицы. Он родствен кваркам внутри протонов и нейтронов, но гораздо тяжелее, и частицы с ним крайне нестабильны. В коллайдере они живут около одной с половиной триллионной доли секунды, а затем превращаются в другие частицы.
Такие превращения называют распадами. Это не медленное разрушение, как у обычного предмета: исходная частица исчезает, а её энергия переходит к другим частицам. Многие варианты такого перехода изучены, но некоторые настолько редки, что наблюдать их чрезвычайно трудно. В данном случае частица с b-кварком распадается на два мюона — частицы, похожие на электроны, но заметно тяжелее. Сами мюоны давно известны и регулярно рождаются в экспериментах; необычно именно сочетание: один мюон несёт отрицательный заряд, второй — его положительный антивещественный аналог.
Поиск начался в 1984 году, задолго до строительства коллайдера. Теория предсказывала, что такое превращение должно происходить, но настолько редко, что даже самые совершенные приборы с трудом могли его зафиксировать. Нужно было просмотреть миллиарды распадов, чтобы найти единичные совпадения. Частицы существуют ничтожно малое время, поэтому исследователи восстанавливают картину по следам, которые остаются, когда частица превращается во что-то другое.
В 2015 году два крупных эксперимента ЦЕРНа сообщили о возможных признаках этого превращения. Однако последующие измерения сигнал не подтвердили. Это не означало, что теория неверна: для проверки требовались гораздо более сильные данные. Новый результат опирается на информацию, собранную модернизированным детектором LHCb, который начал работу в 2024 году и регистрирует столкновения до пяти раз чаще прежнего, а также точнее различает типы частиц. Британские научные учреждения, включая Ливерпульский университет, где собрали особо точный трековый детектор, сыграли ведущую роль в разработке оборудования.
Исследователи объединили данные 2024–2025 годов с более старыми измерениями 2011–2018 годов и с помощью компьютерного анализа выделили единичные события, совпадающие с ожидаемым образцом, отсеяв помехи от других взаимодействий. Итоговая значимость — 3,2 сигма. Для физики это достаточно, чтобы отнестись к сигналу серьёзно, но недостаточно для заявления об открытии: порог в пять сигма защищает от ситуаций, когда кажущееся открытие исчезает при поступлении новых данных — как это уже случилось с ранними свидетельствами этого распада.
«Увидеть этот результат было волнительно, — сказал Гарри Клифф, физик Кембриджского университета, один из руководителей работы. — Это привилегия — найти свидетельство того, что физики ищут с тех пор, как меня ещё не было на свете». По его словам, анализ стал одним из самых сложных измерений, предпринятых на коллайдере, и потребовал работы нескольких поколений исследователей.
Интерес к этому событию связан не только с его редкостью. Физики знают, что их картина материи неполна: она отлично описывает многие частицы, но не отвечает на вопросы о тёмной материи и о том, существуют ли частицы и силы за пределами известных. Неизвестные частицы могли бы влиять на редкие превращения, даже не рождаясь напрямую в коллайдере. Если такое влияние есть, оно изменит частоту распада, и сравнение измеренного числа событий с предсказанным теорией может указать на неизученные взаимодействия. Пока измерения совпадают со Стандартной моделью — теорией, описывающей известные частицы и силы. Значит, нового открытия нет, но точность проверки выросла, а круг возможного за её пределами сузился.
Отдельный интерес вызывает масштаб, который иногда называют зептовселенной: расстояния порядка триллионных долей миллиардной доли метра. Это не другой мир и не скрытое место, а чрезвычайно малый масштаб, на котором могут проявиться эффекты частиц, гораздо более тяжёлых, чем те, что коллайдер способен рождать напрямую.
Следующий этап — подтвердить превращение без сомнений. Для этого нужно больше примеров события, более сильная статистика и точная оценка частоты. Если результат достигнет порога открытия, это станет самым редким формально наблюдённым распадом частицы с b-кварком. Дальше можно будет проверять его поведение с ещё большей точностью и искать расхождения, указывающие на неизвестные частицы.
Основные надежды связаны с программой ЦЕРНа по повышению светимости коллайдера, которую планируют запустить около 2030 года: она даст гораздо больше столкновений для анализа. Дальнейшая модернизация детектора LHCb в следующем десятилетии, по расчётам, позволит собирать данные в десять раз быстрее, чем до неё. Для события, которое случается раз на миллиарды распадов, дополнительный объём информации может оказаться разницей между многообещающим свидетельством и окончательным подтверждением.
Вопрос, на который пока нет ответа, звучит так: если частота этого распада совпадает с предсказаниями Стандартной модели, то где именно искать следы частиц, которые она не описывает, — и не окажется ли так, что редчайшие превращения станут тем окном, через которое их удастся увидеть раньше, чем позволит прямое рождение?
