На бумаге было up = down, но коллайдер решил иначе и выдал сюрприз на 18%

В результате столкновений ядер аргона и скандия физики из международного эксперимента NA61/SHINE зафиксировали аномалию , которая может указывать на нарушение одного из ключевых принципов физики элементарных частиц — симметрии вкуса между верхними (up) и нижними (down) кварками. Это открытие ставит под сомнение долгие годы теоретических предположений и может намекать на существование физики за пределами Стандартной модели.

В мире элементарных частиц flavor-симметрия предполагает, что процессы, в которых участвуют верхние и нижние кварки, должны давать схожие результаты. Эти два типа кварков очень близки по массе, и потому сильное взаимодействие — сила, «склеивающая» кварки в протоны, нейтроны и мезоны — должна обращаться с ними почти одинаково. Однако в новых экспериментах это равенство дало трещину.

Учёные из NA61/SHINE исследовали высокоэнергетические столкновения ядер аргона и скандия, разогнанных на Суперпротонном синхротроне — той же установке, которая подаёт пучки протонов в Большой адронный коллайдер. Исследование было сосредоточено на мезонах K (каонах), образующихся в результате таких столкновений. Изначально планировалось измерять только заряженные каоны, поскольку нейтральные, живущие доли наносекунды, казались не столь информативными. Тем не менее, группа решила измерить и их.

И это решение оказалось судьбоносным. Результаты показали значительное превышение количества заряженных каонов по сравнению с теоретическими предсказаниями — до 18% вместо допустимого отклонения в 3%. При этом наиболее удивительным оказался сам характер нарушения симметрии: изначально в ядрах скандия и аргона было больше нейтронов, а значит — больше нижних кварков. По логике, если симметрия нарушается, после столкновения должно было остаться больше нижних кварков. Однако всё вышло наоборот — верхних кварков стало больше.

Такое поведение пока не удаётся объяснить существующими моделями, основанными на квантовой хромодинамике. Это может означать, что в наших теориях есть пока незамеченные недочёты. А может — что мы наблюдаем нечто совсем новое, выходящее за рамки привычной физики. В любом случае, это открытие вынуждает пересмотреть множество предыдущих экспериментов, основанных на предположении flavor-симметрии.

Команда NA61/SHINE теперь готовится к следующему этапу: анализу десятков миллионов уже записанных столкновений мезонов π+ и π− с углеродом, где симметрия до столкновения должна быть идеальной. Также в планах — изучение столкновений ядер кислорода и магния. Последние особенно интересны, поскольку их сложность схожа с ядрами аргона и скандия, где впервые и было замечено загадочное явление.

Главные открытия, по словам учёных, ещё впереди — эксперименты с ядрами магния можно будет начать лишь после трёхлетней модернизации коллайдера.