Фізики вперше зафіксували надрідкісний розпад мезона Bd у мюони

06 листопада 2026 р. 22:41

06 листопада 2026 р. 22:41

Понад сорок років пошуків нарешті дали плід: команда експерименту LHCb на Великому адронному колайдері (LHC) представила експериментальні свідчення надзвичайно рідкісного розпаду елементарної частинки. Йдеться про розпад мезона Bd на мюон та антимюон, який, за розрахунками, трапляється лише один раз на десять мільярдів подібних подій. Про результати детальніше розповідає видання ScienceAlert .

Ця робота наближає фізиків до розуміння найглибших питань про Всесвіт: що сталося одразу після Великого вибуху, де може «ховатися» темна матерія і чому взагалі існує звичайна речовина. Все це пов’язано з дослідженням надзвичайно малих шкал простору й часу, які вчені вже встигли прозвати «цептовсесвітом» – світом процесів на рівні зептометрів, відстаней у тисячі трильйонів разів менших за товщину людської волосини.

Рекордно рідкісний розпад і нове вікно у фізику

Про відкриття оголосили на семінарі 3 листопада, а також у препринті на сервісі arXiv, який ще не пройшов рецензування. Спостережений тип розпаду був теоретично передбачений і шукався з 1980-х років, але виявити його заважала надзвичайно мала ймовірність – приблизно один випадок серед десяти мільярдів «смертей» певного типу «красивих» (beauty) частинок.

Фізик Ніладрі Саху (Niladri Sahoo) з Університету Бірмінгема, координатор робочої групи LHCb з дуже рідкісних розпадів, пояснює, що це потенційне відкриття разом із точнішим вимірюванням раніше відомого «спорідненого» розпаду дає «потужний новий тест Стандартної моделі і вікно до можливої нової фізики».

Експеримент LHCb (Large Hadron Collider beauty), розташований уздовж підземного кільця LHC, спеціалізується на вивченні частинок, які містять кварк краси. Нещодавне оновлення установки суттєво збільшило швидкість реєстрації зіткнень та дало змогу застосувати методи машинного навчання для виділення сигналу на тлі шуму, який раніше повністю «топив» потрібні події.

Як влаштований мезон Bd і звідки беруться кварки краси

Ключовий результат стосується розпаду мезона Bd на мюон і антимюон. Мезон Bd складається з двох частинок: кварка краси (beauty quark) та антикварка «вниз» (down antiquark). Усього кварків шість «типів» (смаків), і два з них – «вгору» (up) та «вниз» (down) – формують знайомі нам протони й нейтрони. Решта чотири, зокрема кварк краси, не зустрічаються у звичайній речовині, але надзвичайно важливі для розуміння фундаментальних законів Всесвіту.

За уявленнями фізиків, «красиві» кварки були поширені в гарячій плазмі відразу після Великого вибуху, коли вік Всесвіту становив лише соті частки мільярдної частки секунди. Сьогодні в природі їх практично немає, тому вчені «вирощують» такі кварки в прискорювачі з нуля.

У LHC протони розганяють майже до швидкості світла і зіштовхують лоб у лоб, утворюючи «спрей» короткоживучих частинок, серед яких є й кварки краси та антикварки «вниз». Через сильну ядерну взаємодію (ту саму, що утримує кварки всередині протонів і нейтронів) вони миттєво поєднуються в мезони Bd.

Ці мезони існують мізерно малий час – приблизно півтори трильйонні частки секунди . Але з усіх їхніх розпадів тільки в одному з десяти мільярдів народжується саме та пара, на яку полюють фізики: мюон і антимюон, що «вистрибують» з енергії квантового поля, зберігаючи закон збереження енергії та маси. Самі мюони живуть близько двох мільйонних часток секунди, після чого розпадаються, наприклад на електрони та позитрони.

Як LHCb «бачить» такі події

Щоб зафіксувати настільки рідкісний процес, потрібні надзвичайно чутливі детектори. В LHCb для цього використовують, зокрема, піддетектор VELO – «вершинний локатор», розташований на відстані меншій за ширину пальця від пучка частинок. Він дозволяє відслідковувати місце народження та розпаду екзотичних частинок з великою точністю.

Підвищення частоти зіткнень у колайдері та вдосконалення аналізу даних за допомогою машинного навчання дали змогу нарешті відокремити сигнал від фону. До нових даних LHCb за 2024–2025 роки додали результати попередніх серій вимірювань, зібраних у 2011–2018 роках.

Статистична значущість і межі Стандартної моделі

У фізиці елементарних частинок про «свідчення» явища зазвичай говорять, коли статистична значущість досягає трьох стандартних відхилень, або «3 сигма». Це відповідає приблизно 0,3-відсотковій імовірності, що результат – проста випадковість. Об’єднані дані LHCb дали значущість 3,2 сигма , що перевищує мінімальний поріг для заяви про виявлення.

Остаточне підтвердження вимагатиме досягнення так званого «золотого стандарту» в 5 сигма, тобто ще більшої статистичної впевненості. Для цього потрібні додаткові роки роботи колайдера. Заплановані на 2030-ті модернізації LHC мають збільшити кількість зіткнень і швидкість збору даних ще на порядок.

Автори роботи підсумовують, що всі отримані результати узгоджуються з передбаченнями Стандартної моделі й обмежують можливі внески «нової фізики» на енергетичних масштабах, які недосяжні для прямого народження нових частинок на LHC. Тобто явних відхилень від діючої теорії поки не знайдено, але простір для пошуку прихованих ефектів звужується.

Нова фізика може ховатися в розпадах

Стандартна модель успішно описує більшість відомих частинок і взаємодій, але не пояснює природу темної матерії і невелику перевагу речовини над антиречовиною після Великого вибуху. Саме ця асиметрія не дозволила Всесвіту перетворитися на суцільний спалах енергії без жодного атома.

Результати LHCb натякають, що майбутні відкриття можуть з’явитися не лише через пряме створення нових частинок у колайдері, а й через ретельне вимірювання рідкісних розпадів уже відомих об’єктів. Так, у минулому саме аналіз розпадів допоміг передбачити й згодом відкрити чарівний (charm) кварк та найважчий з кварків – топ-кварк, маса якого порівнянна з масою цілого атома золота.

Керівник аналітичної групи LHCb Гаррі Кліфф (Harry Cliff) з Кембриджського університету відзначає, що вперше побачити чіткі ознаки настільки рідкісного розпаду було надзвичайно захопливо. На думку дослідників, фізика буквально «стукає у двері» цептовсесвіту, й подальше заглиблення в ці масштаби може принести нові фундаментальні відкриття.

Попередню версію наукової роботи оприлюднено у вигляді препринта на arXiv. Відео-обговорення результатів і контексту пошуків можна знайти за посиланням на платформі YouTube.

Наука