Учёный из Мельбурнского университета доктор Дэниел Маркантонио (Daniel Marcantonio) представил новый анализ данных эксперимента Belle, который дал наиболее строгие на сегодняшний день ограничения на редкие распады субатомных частиц. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Исследование выполнено в рамках поиска гипотетических слабо взаимодействующих частиц (FIP, feebly interacting particles) — кандидатов на физику за пределами Стандартной модели, которые могут быть связаны с тёмным сектором через так называемые «порталы» взаимодействий. В формализации работы рассматривается невидимая частица X(inv), возникающая в распадах B-мезонов с дефицитом энергии.
Данные были получены на ускорителе KEK в Японии, где сталкивались электроны и позитроны. За годы работы эксперимента был накоплен массив порядка 711 fb-1 данных, что соответствует более чем 770 миллионам пар B-мезонов. Именно эти тяжёлые мезоны, содержащие b-кварк, чувствительны к редким процессам распада, в том числе к каналам с изменением аромата через нейтральные токи (FCNC), возникающим в Стандартной модели только на определённом уровне.
Анализ был выполнен для пяти каналов распада B-мезонов, включая нейтральные и заряженные. Три из этих каналов ранее никогда не исследовались напрямую, что делает работу первым систематическим обзором такого класса процессов.
Для реконструкции событий использовалась техника полного восстановления событий (FEI, Full Event Interpretation), позволяющая определить один из B-мезонов по тысячам возможных сигналов и жёстко зафиксировать кинематику столкновения. Это позволяет искать «недостающую энергию» — сигнал частицы, которая не регистрируется детектором.
Для подавления фона применялись многомерные алгоритмы классификации на основе градиентного бустинга (BDT), разделяющие сигналы от фоновых процессов и от комбинаторных событий B-мезонных распадов. Это критично, поскольку искомый эффект проявляется как отклонение в распределении импульса отдачи, а не как прямой сигнал.
Во всех пяти каналах значимых отклонений от предсказаний Стандартной модели обнаружено не было. Однако в физике высоких энергий отсутствие сигнала является полноценным результатом: если бы новая частица существовала и взаимодействовала достаточно сильно, она проявилась бы в виде статистического «пика» в распределениях.
На основе этого результат исследование устанавливает наиболее жёсткие на сегодня верхние пределы на вероятность соответствующих распадов — на уровне доверительной вероятности 90% (CL). Эти ограничения напрямую переводятся в пределы на силу связи гипотетических частиц с обычной материей, включая аксионоподобные частицы и кандидаты тёмного сектора.
Особенно важным результатом стали первые в мире прямые ограничения для каналов с очарованными мезонами. Эти данные закрывают значительные области параметров в моделях суперсимметрии и сценариях физики тёмного сектора, где прежде существовали «белые пятна».
Контекст работы усиливается текущими результатами Belle и Belle II, где наблюдаются отдельные напряжения в редких распадах. При этом остаются лишь узкие области параметров, связанные с резонансными состояниями чармония и D-мезонов, где сигнал практически неотделим от фоновых процессов. Так, «пространство поиска» новых частиц продолжает сжиматься.
Представленный результат не обнаруживает новых частиц, но существенно уточняет границы их существования. Это сужает область поиска физики за пределами Стандартной модели и делает будущие эксперименты более целенаправленными — фактически превращая «нулевой результат» в инструмент навигации по скрытому сектору Вселенной.
