Трансформация сверхредких частиц, впервые наблюдается в ЦЕРНе: окно в новую физику?

Исследователи из Бирмингемского университета в сотрудничестве с ЦЕРНом и другими учреждениями впервые наблюдали чрезвычайно редкий процесс распада частиц на БАКе, что стало большим прорывом для физики частиц. Это может открыть путь к новому пониманию законов Вселенной. Представленный коллаборацией NA62 на семинаре в ЦЕРНе, он касается распада заряженного каона на заряженный пион и пару нейтрино-антинейтрино (K+ → π+νν), что является чрезвычайно редким явлением.

ЦЕРН с его Большим адронным коллайдером (БАК) находится на переднем крае исследований в области физики частиц. Этот гигантский ускоритель частиц, расположенный в 27-километровом туннеле под франко-швейцарской границей, позволяет воссоздать условия, существовавшие вскоре после Большого взрыва. Именно благодаря этой установке в 2012 году был открыт бозон Хиггса, подтвердивший важнейшую часть Стандартной модели физики частиц.

Почему это открытие так важно?

Распад K+ → π+νν исследователи иногда называют «золотой модой» в области «физики ароматов» (она описывает типы или разновидности кварков и лептонов и играет ключевую роль в нашем понимании фундаментальных взаимодействий) из-за ее исключительной способности обнаруживать косвенные эффекты потенциальной новой физики даже на чрезвычайно высоких массовых масштабах.

Чтобы дать представление о том, насколько редким является этот распад, Стандартная модель предсказывает для данного распада коэффициент ветвления (отношение числа распадов, следующих за определенной моде, к общему числу распадов частицы) менее 10-10, что делает его ценной мишенью для поиска новых теорий, выходящих за рамки общепринятых.

В пресс-релизе Бирмингемского университета Кристина Лаццерони, профессор физики частиц Бирмингемского университета, возглавлявшая исследование, отметила: «Благодаря этому измерению K+ → π p+νν становится самым редким распадом, установленным на уровне открытия — знаменитым 5 сигма. Этот сложный анализ — результат отличной командной работы, и я чрезвычайно горжусь этим новым результатом».

Чтобы лучше понять, почему это открытие так важно, следует вспомнить, что Стандартная модель на сегодняшний день является наиболее полной теоретической основой для объяснения фундаментальных взаимодействий частиц. Однако известно, что она не может объяснить все явления Вселенной, такие как темная материя или темная энергия.

Экспериментальное наблюдение сверхредкого распада каона — на положительно заряженный пион и пару нейтрино-антинейтрино - может дать ключевые подсказки, потенциально способствующие развитию теорий за пределами Стандартной модели, в частности, открывая путь к открытию новых фундаментальных частиц или сил. Этот процесс, названный K+ → π+νν, является одним из самых редких из когда-либо наблюдавшихся. Стандартная модель (СМ) предсказывает, что ожидается не более одного случая из десяти миллиардов, а скорость распада, наблюдаемая в данном случае, примерно на 50 % выше ожидаемой.

На пути к новой физике?

Последствия этого открытия, представленного на семинаре в ЦЕРН, весьма обширны. Тот факт, что распад происходит на 50% чаще, чем предполагалось ранее, может свидетельствовать о наличии новых частиц или сил, что может привести к пересмотру существующих теорий о фундаментальной структуре материи.

Для достижения этих результатов ученым, работающим над проектом NA62, пришлось преодолеть ряд технических трудностей. Благодаря значительным усовершенствованиям пучковой линии и детектора БАК, эксперимент смог работать при интенсивности пучка на 30 % выше обычной. Эти усовершенствования позволили провести более точный анализ и лучше подавить фоновый шум, что сделало результаты еще более надежными. В настоящее время эксперимент NA62 собирает новые данные, и в течение следующих нескольких лет исследователи надеются подтвердить или опровергнуть наличие новой физики в этом распаде.