Физики Европейской организации ядерных исследований (CERN) впервые получили убедительные свидетельства чрезвычайно редкого распада частицы, который происходит примерно в одном случае из 10 миллиардов. Поиски этого процесса продолжались с 1984 года. Благодаря модернизации детектора LHCb и анализу огромного количества столкновений протонов исследователи обнаружили признаки превращения нейтрального B-мезона в две более лёгкие частицы — мюон и антимюон. Результат открывает новые возможности для проверки фундаментальных законов физики и поиска пока неизвестных частиц.
О достижении 3 ноября 2026 года сообщила международная коллаборация LHCb, в которую входят специалисты Манчестерского университета и других научных организаций. Исследователи проанализировали данные столкновений протонов, зарегистрированные в 2024–2025 годах на Большом адронном коллайдере. Статистическая значимость обнаруженного сигнала достигла 3,2 сигма после объединения новых результатов с измерениями предыдущих лет. Этого достаточно для признания свидетельств существования процесса, но пока недостаточно для официального подтверждения открытия, для которого в физике элементарных частиц требуется уровень 5 сигма.
Объектом исследования стал нейтральный B-мезон, известный также как Bd-мезон. Эта короткоживущая частица содержит тяжёлый b-кварк и существует примерно полторы триллионных доли секунды, прежде чем распасться. В исключительно редких случаях продуктами её распада становятся два мюона с противоположными электрическими зарядами. Мюоны похожи на электроны, но обладают примерно в 207 раз большей массой.
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, вероятность такого превращения составляет приблизительно одну десятимиллиардную. Именно поэтому обнаружить процесс чрезвычайно трудно: среди огромного количества обычных распадов необходимо выделить несколько событий с характерными признаками. Ранее совместный анализ данных экспериментов LHCb и CMS уже давал указания на существование этого распада, однако последующие измерения не смогли подтвердить первоначальный результат.
Ситуация изменилась после масштабной модернизации установки LHCb. Обновлённый комплекс позволяет собирать данные примерно в пять раз быстрее, чем прежде, и точнее определять характеристики частиц, возникающих при столкновениях. Одним из ключевых компонентов стал кремниевый пиксельный детектор Vertex Locator (VELO), установленный всего в пяти миллиметрах от протонных пучков. Он помогает с высокой точностью восстанавливать траектории частиц и определять точки их рождения и распада.
Дополнительную роль сыграли алгоритмы машинного обучения, позволившие отделять редкие события от многочисленных фоновых сигналов. Анализ данных за 2024–2025 годы дал статистическую значимость 3 сигма. После добавления измерений, собранных в 2011–2018 годах, она увеличилась до 3,2 сигма. Это первое убедительное свидетельство такого распада, полученное в рамках одного эксперимента.
Интерес физиков связан с тем, что редкие распады особенно чувствительны к влиянию неизвестных элементарных частиц. Даже если эти частицы слишком тяжелы для непосредственного рождения на Большом адронном коллайдере, их влияние может проявляться в небольших отклонениях от предсказанной частоты распадов. Подобные исследования позволяют косвенно изучать процессы на чрезвычайно малых масштабах, которые физики иногда называют «зептомиром». Один зептометр соответствует 10⁻²¹ метра, или одной миллиардной триллионной доли метра.
Пока полученные результаты согласуются с предсказаниями Стандартной модели и не указывают на существование новых частиц или взаимодействий. Одновременно исследователи уточнили характеристики другого редкого процесса — распада Bs-мезона на два мюона, впервые подтверждённого в 2015 году. Новые измерения его вероятности и продолжительности жизни стали наиболее точными среди результатов отдельных экспериментов и позволили дополнительно ограничить возможные отклонения от существующей теории.
В ближайшие годы LHCb продолжит накапливать данные для повышения статистической значимости сигнала. Запуск модернизированного Большого адронного коллайдера высокой светимости запланирован на 2030 год, а в середине следующего десятилетия предполагается дальнейшее обновление детектора LHCb. Оно может увеличить скорость сбора данных ещё примерно на порядок и обеспечить более точное изучение редчайших превращений элементарных частиц.
Исследование в виде препринта на arXiv.