На БАК зафиксировали отклонение от Стандартной модели в 4.1 сигма: новая физика или дефект теории?

Современная физика элементарных частиц опирается на Стандартную модель — фундаментальную теоретическую конструкцию, которая с высокой точностью описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех известных субатомных частиц. Эта теория выдержала множество экспериментальных проверок. Тем не менее, физическое сообщество единогласно признает ее неполноту. Стандартная модель не включает в себя гравитацию, не содержит частиц, способных объяснить существование темной материи, и не дает ответа на вопрос, почему Вселенная состоит из материи, а антиматерия практически отсутствует.

Для поисков «новой физики», исследователи используют два подхода. Первый реализуется на ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер (БАК), и заключается в постоянном повышении энергии столкновений протонов. Цель этого метода — прямой синтез неизвестных ранее, более тяжелых частиц. Второй подход не требует рекордных энергий, но зато требует рекордной точности. Он заключается в изучении крайне редких процессов распада уже известных частиц. Задача ученых здесь — измерить параметры распада с такой детализацией, чтобы обнаружить малейшие отклонения от предсказаний Стандартной модели.

Именно в рамках второго подхода работает международная коллаборация LHCb на одноименном детекторе Большого адронного коллайдера. В своем последнем отчете физики представили результаты наиболее крупного и точного на сегодняшний день анализа распада нейтрального B0-мезона. Данные показали математически значимое расхождение с теоретическими расчетами, что может стать ключом к пересмотру базовых законов физики микромира.

Механика редкого квантового перехода

Предметом исследования стал специфический процесс: распад B0-мезона на K*0-мезон и пару лептонов — мюон и антимюон.

Нейтральный B0-мезон состоит из анти-прелестного кварка и d-кварка. В процессе наблюдаемого распада прелестный кварк должен превратиться в странный кварк (s-кварк).

По математическому аппарату Стандартной модели, прямое превращение кварка одного типа в кварк другого типа с тем же электрическим зарядом строго запрещено. Этот принцип известен в физике как отсутствие нейтральных токов, меняющих аромат. Значит, процесс не может произойти напрямую.

Квантовая механика позволяет обойти этот запрет только через сложную последовательность промежуточных состояний. На ничтожно малую долю секунды внутри мезона возникают тяжелые виртуальные частицы — например, W-бозоны и топ-кварки. Они образуют так называемую квантовую петлю, внутри которой происходит изменение характеристик кварка, после чего виртуальные частицы распадаются, формируя конечные продукты (мюоны и каон с пионом, на которые распадается K*0-мезон).

Поскольку процесс требует формирования квантовой петли, он происходит особенно редко. В целом, именно это делает его идеальным инструментом для поиска Новой физики. Принцип неопределенности Гейзенберга допускает, что в этих виртуальных петлях могут кратковременно появляться не только известные частицы Стандартной модели, но и любые другие, еще не открытые тяжелые частицы (если они существуют в природе). Присутствие такой неизвестной частицы неизбежно вмешается в процесс, изменив вероятность распада или пространственную геометрию разлета конечных частиц.

Многомерная геометрия распада

Вместо того чтобы просто подсчитывать количество подобных распадов, физики коллаборации LHCb анализируют их кинематику. Законы сохранения диктуют, что конечные частицы разлетаются не хаотично. Стандартная модель предсказывает угловые распределения частиц в зависимости от их энергии.

Для полного описания кинематики этого распада используются пять переменных:

1. Квадрат инвариантной (неизменной) массы мюонной пары (в физике обозначается как q-квадрат).
2. Инвариантная масса системы каон-пион, образующейся при распаде K*0-мезона.
3. Три пространственных угла, описывающих траектории разлета мюонов, каона и пиона относительно друг друга.

В новой работе исследователи проанализировали массив данных, соответствующий интегрированной светимости 8.4 обратных фемтобарна, собранный в ходе сеансов работы коллайдера в 2011-2012 и 2016-2018 годах. Отличие этой работы от предыдущих заключается в сильном усложнении методологии обработки данных.

Во-первых, физики отказались от классического упрощения расчетов, при котором масса мюонов принималась равной нулю. Из-за высоких энергий на БАК масса лептонов действительно часто не оказывает влияния на общую картину, однако анализ показал, что при малых значениях квадрата массы мюонной пары учет массы мюонов все же важен для точности измеряемых углов. Это первый случай, когда фактор массы лептонов был интегрирован в угловой анализ данного распада.

Во-вторых, конечный K*0-мезон распадается на заряженные каон и пион. В детектор попадают эти же частицы, образованные не только от целевого сигнала (P-волновое состояние), но и от фоновых квантовых процессов (S-волновое состояние). Исследователи впервые применили модель, которая одновременно учитывает интерференцию между P- и S-волнами, математически очищая сигнал от фонового квантового шума.

Статистическая значимость аномалии

В результате пятимерного математического моделирования исследователи вычислили набор угловых коэффициентов. Особое внимание было приковано к переменной, обозначаемой как P'5. Этот параметр сконструирован теоретиками специально таким образом, чтобы минимизировать неопределенности, связанные с внутренней структурой мезонов (так называемыми форм-факторами), и оставить данные в максимально чистом виде.

Измерения показали, что на определенных диапазонах энергий (в частности, при значениях q-квадрат от 4.0 до 8.0 ГэВ²/с⁴) значение параметра P'5 существенно расходится с предсказаниями Стандартной модели.

В физике частиц для описания подобных отклонений используется язык эффективной теории поля. Угловые асимметрии напрямую зависят от так называемых коэффициентов Вильсона — параметров, определяющих интенсивность различных типов квантовых взаимодействий. Зафиксированная в параметре P'5 аномалия соответствует сдвигу в коэффициенте Вильсона C9, который отвечает за векторное взаимодействие кварков и лептонов.

Объединив данные об угловых распределениях с данными о дифференциальной вероятности самого распада, коллаборация LHCb установила, что расхождение с теоретическими расчетами Стандартной модели составляет 4.1 стандартных отклонения (4.1 сигма).

В статистике физики высоких энергий стандартное отклонение (сигма) отражает вероятность того, что наблюдаемый результат оказался простой случайностью, вызванной колебаниями фоновых данных. Отклонение в 1 или 2 сигма встречается часто и не представляет научного интереса. Уровень в 3 сигма означает вероятность случайного совпадения примерно 1 к 740 и классифицируется как «указание на существование эффекта». Значение 4.1 сигма соответствует вероятности случайной ошибки менее чем 1 к 20 000. Это уже серьезный сигнал, хотя он еще не достигает золотого стандарта в 5 сигма (1 шанс из 3.5 миллионов), который необходим для официального объявления о научном открытии новой частицы или явления.

Интерпретация: новая физика или дефект теории?

Несмотря на высокую статистическую значимость и математическую строгость обработки данных, физическое сообщество не спешит объявлять о низвержении Стандартной модели. Существует две разные трактовки полученных результатов.

Первая интерпретация предполагает прямое влияние Новой физики. Изменение коэффициента C9 идеально ложится в математические модели, описывающие существование ранее неизвестной фундаментальной частицы. Главными кандидатами на эту роль выступают лептокварки (гипотетические частицы, переносящие взаимодействие между кварками и лептонами) или новый тяжелый нейтральный калибровочный Z'-бозон. Если одна из этих частиц действительно существует, она участвует в промежуточных квантовых петлях распада, и именно ее масса и свойства вызывают наблюдаемое искажение углов разлета мюонов.

Вторая интерпретация связана с внутренними ограничениями самой Стандартной модели, а именно — с квантовой хромодинамикой (КХД), теорией сильного взаимодействия. Проблема заключается в том, что расчет поведения кварков внутри мезона на относительно больших расстояниях (так называемые непертурбативные эффекты КХД) невероятно сложен с математической точки зрения.

При распаде B0-мезона могут возникать сложные долгоживущие промежуточные состояния с участием очарованных кварков. Эти кварки перерассеиваются внутри мезона, создавая эффекты, которые имитируют влияние новой физики на векторный коэффициент C9. Физики-теоретики признают, что современные методы расчета могут недооценивать величину этого внутриядерного фона. Возможно, наблюдаемое отклонение в 4.1 сигма связано не с новой частицей, а с тем, что теоретические формулы, с которыми сравнивают данные LHCb, изначально содержат неучтенную погрешность сложного сильного взаимодействия.

Заключение

Исследование коллаборации LHCb не дает окончательного ответа на вопрос о существовании новой физики, зато оно существенно сужает пространство возможных ошибок. Благодаря учету массы лептонов, фильтрации интерференционных волн и многомерному анализу, ученые практически исключили вероятность того, что аномалия в угловом распределении вызвана дефектами работы детектора или некорректной статистической обработкой данных.

Дальнейшее развитие ситуации зависит от двух факторов. Во-первых, от накопления еще большего объема данных на модернизированном Большом адронном коллайдере, что позволит подтвердить или опровергнуть статистику, дотянув ее до порога в 5 сигма. Во-вторых, от прогресса теоретической физики: ученым необходимо усовершенствовать методы расчетов квантовой хромодинамики, чтобы окончательно исключить или подтвердить влияние сильного взаимодействия на кинематику распада. Только тогда станет ясно, указывает ли эта аномалия на фундаментально новые законы природы.

Источник: arXiv