Физики CERN впервые в рамках одного эксперимента получили убедительные свидетельства распада частицы, который происходит примерно один раз на 10 миллиардов случаев. Результат удалось получить на Большом адронном коллайдере после десятилетий поисков, но окончательным открытием его пока не считают.
Участники эксперимента LHCb обнаружили признаки превращения нейтрального B-мезона (B0) в два мюона, положительно и отрицательно заряженные частицы. Статистическая значимость результата достигла 3,2 сигма. Для физиков подобный показатель означает достаточно серьёзные свидетельства существования процесса, однако для официального признания открытия требуется не менее 5 сигма. Результаты представили 3 ноября 2026 года.
B-мезон представляет собой короткоживущую частицу, состоящую из кварка и антикварка. В обнаруженном процессе составляющие мезона аннигилируют, а высвободившаяся энергия превращается в пару мюонов. Мюон похож на электрон, но значительно тяжелее. Подобное превращение крайне маловероятно, поскольку обычные механизмы распада гораздо чаще приводят к образованию других частиц. Именно редкость делает процесс особенно интересным для фундаментальной физики.
Согласно Стандартной модели, описывающей известные элементарные частицы и их взаимодействия, вероятность распада B0 на два мюона составляет (1,03 ± 0,05) × 10−10. Новое измерение дало значение около 1,14 × 10−10. С учётом статистической погрешности результаты согласуются с теорией. Физики не обнаружили признаков неизвестных взаимодействий, однако смогли значительно сузить пространство для гипотез, допускающих существование новых частиц.
Особенность подобных распадов заключается в возможности искать частицы, которые недоступны для непосредственного наблюдения на коллайдере. Согласно квантовой теории, промежуточные виртуальные состояния могут влиять на вероятность превращения одних частиц в другие. Если существуют дополнительные бозоны Хиггса, тяжёлые Z′-бозоны или лептокварки, их влияние потенциально проявится в отклонениях от расчётов Стандартной модели. Поэтому физики внимательно измеряют даже процессы, происходящие исключительно редко.
Для нового анализа исследователи использовали данные столкновений протонов, собранные в 2024 и 2025 годах. Энергия столкновений составляла 13,6 ТэВ, а интегральная светимость достигла 18 обратных фемтобарн. Последняя величина характеризует объём накопленной статистики эксперимента. Только на новых данных значимость сигнала составила 3,0 сигма. После объединения результатов с измерениями 2011–2018 годов показатель увеличился до 3,2 сигма.
Решающую роль сыграла модернизация детектора LHCb. После обновления оборудование смогло собирать информацию примерно в пять раз быстрее, чем в период с 2010 по 2018 год. Улучшилось и распознавание различных типов частиц. Исследователи дополнительно применили методы машинного обучения, чтобы отделить редкие распады от огромного количества других процессов, возникающих при столкновениях протонов.
Главная сложность заключалась в том, что детектор регистрирует множество пар мюонов, образующихся совершенно другими способами. Среди такого фона необходимо выделить частицы, появившиеся именно при распаде B0. Для этого физики анализируют характеристики мюонов, включая их импульсы и общую инвариантную массу. В распределении измерений возникает небольшой избыток событий в области массы искомого мезона. По величине и форме избытка исследователи оценивают вероятность редкого распада.
В новом исследовании учёные одновременно уточнили характеристики другого мезона, Bs0. Он тоже способен распадаться на два мюона, но примерно в 30 раз чаще. Измеренная вероятность составила 3,25 × 10−9, тогда как Стандартная модель предсказывает (3,66 ± 0,14) × 10−9. Разница укладывается в экспериментальные погрешности. Коллаборация получила наиболее точные на момент публикации измерения вероятности и эффективного времени жизни такого распада.
Эффективное время жизни Bs0 при распаде на мюонную пару составило 1,60 ± 0,16 ± 0,01 пикосекунды. Пикосекунда равна одной триллионной доле секунды. Две погрешности отражают статистические и систематические неопределённости измерения. Параметр представляет самостоятельный интерес, поскольку некоторые теоретические модели допускают изменение продолжительности существования частицы даже в случаях, когда вероятность распада практически совпадает с предсказаниями Стандартной модели.
Поиски подобных превращений продолжаются более 40 лет. В 2012 году LHCb впервые получил свидетельства распада Bs0 на два мюона со значимостью 3,5 сигма. В 2015 году совместный анализ LHCb и CMS позволил установить существование процесса со значимостью 6,2 сигма. Тогда же физики обнаружили предварительные признаки более редкого распада B0, однако последующие исследования не подтвердили первоначальный сигнал.
В 2017 году LHCb самостоятельно зарегистрировал распад Bs0 с достоверностью 7,8 сигма. Поиски аналогичного превращения B0 продолжились, поскольку его вероятность значительно ниже. При этом B0-мезоны рождаются в столкновениях примерно в четыре раза чаще Bs0, поэтому наблюдаемых событий нужного типа оказывается примерно в семь раз меньше. Даже при высокой интенсивности столкновений для накопления достаточной статистики потребовались годы работы.
Новые результаты пока не опровергают существующие представления об устройстве материи. Напротив, измеренные характеристики обоих распадов согласуются со Стандартной моделью, оставляя всё меньше возможностей для альтернативных объяснений. Но отсутствие расхождений тоже помогает физикам, поскольку исключает часть параметров гипотетических частиц и взаимодействий, которые могли бы влиять на наблюдаемые процессы.
Исследователи рассчитывают продолжить измерения после дальнейшего обновления LHCb. В середине следующего десятилетия скорость накопления данных может увеличиться ещё на порядок. Более высокая статистика позволит проверить предварительные свидетельства распада B0, значительно уменьшить погрешности и искать небольшие отклонения от теоретических расчётов, которые пока невозможно отличить от экспериментального шума.