CERN зафіксував надрідкісний розпад частинки один на 10 мільярдів

10 листопада 2026 р. 15:58

10 листопада 2026 р. 15:58

Фізики з CERN після понад 40 років пошуків отримали переконливі докази надзвичайно рідкісного розпаду елементарної частинки, який відбувається лише приблизно один раз на 10 мільярдів розпадів. Про це повідомляє ScienceDaily з посиланням на CERN . Це відкриття може допомогти знайти сліди частинок і взаємодій, які занадто масивні, щоб безпосередньо створюватися навіть у найпотужніших сучасних прискорювачах.

Що саме вдалося спостерігати

Результат отримано на експерименті LHCb, одному з детекторів Великого адронного колайдера. Дослідники зафіксували доказ процесу, який, за теорією, має траплятися лише один раз приблизно на 10 мільярдів розпадів так званих «краси»-частинок (beauty particles).

У центрі роботи стоїть частинка Bd, що складається з кварка краси та антикварка даун. Науковці знайшли свідчення того, що Bd може розпадатися на пару мюонів (μ⁺μ⁻). Мюони подібні до електронів, але мають більшу масу.

Виміряна ймовірність такого розпаду узгоджується з прогнозами Стандартної моделі — провідної теорії, що описує фундаментальні частинки та їхні взаємодії. Це звужує можливі варіанти нової фізики, оскільки обмежує простір для існування невідомих частинок, які могли б змінювати частоту такого процесу.

Чому рідкісні розпади такі важливі

Особливий інтерес до Bd → μ⁺μ⁻ пов’язаний із квантовими ефектами. У квантовій теорії навіть частинки, які надто важкі, щоб їх безпосередньо створити у Великому адронному колайдері, можуть опосередковано впливати на рідкісні процеси. Вони змінюють частоти розпадів або деталі їх перебігу.

Якщо з високою точністю виміряти, як часто відбувається певний рідкісний розпад, а потім порівняти результат з теоретичним передбаченням, будь-яка відмінність може стати непрямою підказкою про існування нових частинок. Чим рідкісніший процес, тим чутливіший він до таких «прихованих» впливів.

Розпад Bd → μ⁺μ⁻ належить до так званих «золотих каналів» пошуку фізики за межами Стандартної моделі. У цьому процесі кварк краси та відповідний йому антикварк з протилежним зарядом анігілюють, а їхня енергія перетворюється на мюон і антимюон.

Раніше фізики вже спостерігали споріднений розпад іншої «краси»-частинки Bs, що позначається як Bs → μ⁺μ⁻. У 2015 році спільний аналіз колаборацій LHCb і CMS дав перше підтверджене спостереження цього процесу, а також початкові свідчення більш рідкісного розпаду Bd. Однак подальший аналіз даних до 2018 року не зміг остаточно підтвердити сигнал для Bd → μ⁺μ⁻.

Різниця між цими двома каналами справді велика: розпад Bs трапляється приблизно три рази на мільярд розпадів «краси»-частинок, тоді як Bd, за розрахунками, має відбуватися приблизно у 30 разів рідше.

Модернізований детектор і штучний інтелект

Прорив став можливим завдяки великим удосконаленням експерименту LHCb. Після масштабного апгрейду детектор з 2024 року почав збирати дані зі швидкістю, у п’ять разів вищою, ніж у 2010–2018 роках. Крім того, покращилася здатність системи розрізняти різні типи частинок, що дало змогу отримувати «чистішу» картину подій у зіткненнях.

На додачу команда використала методи машинного навчання, щоб відокремити надзвичайно рідкісні сигнали від величезної маси інших процесів. Без таких алгоритмів потрібні для аналізу події просто «потонули» б у фоні.

Керівник міжнародної групи з 19 дослідників Марко Сантімарія (Marco Santimaria) наголосив, що фізики «переслідували» цей розпад понад чотири десятиліття і що для виділення мюонів із потужного фонового шуму потрібна екстремальна точність.

Наскільки надійний сигнал

У фізиці елементарних частинок надійність результату оцінюють за кількістю стандартних відхилень (sigma). Щоб визнати сигнал доказом нового явища, потрібно досягти рівня щонайменше трьох сигм. Це відповідає ймовірності близько 0,3% того, що спостереження виникло лише через випадкові флуктуації.

Аналіз даних, зібраних у 2024–2025 роках, дав для Bd → μ⁺μ⁻ статистичну значущість на рівні 3,0 сигми. Коли фізики додали до аналізу попередні дані 2011–2018 років, значущість зросла до 3,2 сигми, що перевищує загальновизнаний поріг «доказу» в галузі.

У тій самій роботі отримано також найточніші на сьогодні вимірювання для пов’язаного процесу Bs → μ⁺μ⁻. Це додатково уточнює наше уявлення про надрідкі розпади «краси»-частинок.

Попри вагомість результатів, говорити про остаточне спостереження Bd → μ⁺μ⁻ ще рано. Для цього потрібно досягти п’яти стандартних відхилень, коли ймовірність випадкового сигналу стає мізерно малою. Якщо майбутні вимірювання вийдуть на цей рівень, Bd → μ⁺μ⁻ стане найрідкіснішим розпадом «краси»-частинки, коли-небудь надійно спостереженим.

Що дадуть наступні оновлення колайдера

Фізики очікують, що заплановані модернізації Великого адронного колайдера значно посилять можливості таких досліджень. Проєкт High Luminosity LHC (HiLumi LHC) має стартувати у 2030 році, а ще один великий апгрейд детектора LHCb заплановано на середину наступного десятиліття.

Разом ці вдосконалення повинні збільшити обсяг даних, який збирає LHCb, ще приблизно у десять разів. Це дозволить реєструвати більше надрідкісних розпадів на кшталт Bd → μ⁺μ⁻ і вимірювати їхні властивості з набагато вищою точністю.

Зростання чутливості відкриє можливість виявляти ледь помітні ефекти від частинок, які залишаються поза прямою досяжністю нинішніх прискорювачів. Як підкреслює Гаррі Кліфф (Harry Cliff), координатор напряму рідкісних розпадів в LHCb, спостереження доказів цього процесу не лише саме по собі захопливе, а й відкриває нові шляхи для пошуку фізики за межами Стандартної моделі.

Для дослідників, які полювали на цей сигнал понад чотири десятиліття, новий результат став давно очікуваним кроком уперед. Він також пропонує один із найточніших на сьогодні інструментів, щоб перевірити, чи входять відомі закони фізики елементарних частинок до ширшої, ще не відкритої картини.

Наука