Редчайший распад каонов произошел в сто раз чаще нормы: как физики объяснили аномалию выходом за пределы Стандартной модели

Современная физика элементарных частиц опирается на Стандартную модель. Эта теория описывает все известные фундаментальные частицы и три фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое. За последние пятьдесят лет Стандартная модель успешно прошла сотни экспериментальных проверок.

Тем не менее физики знают, что теория неполна. Она не объясняет природу темной материи, не дает ответа на вопрос, почему во Вселенной вещество преобладает над антивеществом, и не описывает гравитацию на квантовом уровне.

Существует два основных способа обнаружить физические явления за пределами Стандартной модели:

• Прямой метод высоких энергий. Ученые строят мощные ускорители (такие как Большой адронный коллайдер), сталкивают частицы на огромных скоростях и пытаются напрямую зарегистрировать рождение новых массивных частиц.
• Косвенный метод высокой точности. Физики наблюдают за процессами, которые в рамках Стандартной модели происходят исключительно редко.

Если расчеты показывают, что определенный тип распада частицы должен случаться лишь единицы раз на сотни миллиардов событий, появление даже небольшого избытка таких распадов становится прямым указанием на работу неизвестных фундаментальных сил или частиц.

Именно это произошло в ходе эксперимента KOTO в Японии. Установка зафиксировала несколько распадов нейтральных каонов, количество которых почти в сто раз превысило теоретический расчет. Это наблюдение создало физический парадокс: полученный результат вступил в прямое противоречие с фундаментальными симметриями и параллельными экспериментами в Европе.

Объект исследования: распад долгоживущего каона

Каоны — это нестабильные составные субатомные частицы (мезоны). Они состоят из двух кварков — одного странного кварка и одного легкого (верхнего или нижнего). Каоны бывают электрически заряженными (положительные и отрицательные) и нейтральными.

Нейтральные каоны обладают важным квантовым свойством: они существуют в виде двух состояний с разным временем жизни. Одно состояние распадается быстро (короткоживущий каон), а второе существует примерно в 600 раз дольше (долгоживущий нейтральный каон).

Эксперимент KOTO ориентирован на поиск строго определенного процесса — превращения долгоживущего нейтрального каона в нейтральный пи-мезон (пион) с одновременным испусканием пары из нейтрино и антинейтрино.

Схема исследуемого процесса: долгоживущий нейтральный каон распадается на нейтральный пион, нейтрино и антинейтрино.

Этот распад называют «золотым каналом» физики частиц благодаря его исключительной теоретической чистоте. В рамках Стандартной модели данный распад жестко подавлен: чтобы он произошел, странный кварк внутри каона должен превратиться в нижний кварк. Такое превращение не может произойти напрямую — оно идет через квантовые цепочки с участием тяжелых промежуточных бозонов и топ-кварков. Кроме того, этот процесс напрямую нарушает комбинированную четность — фундаментальную симметрию между материей и антиматерией.

Вероятность распада вычислена физиками с точностью до нескольких процентов: распад нейтрального каона на пион и пару нейтрино происходит в среднем 34 раза на один триллион всех распадов каона.

Эксперимент KOTO: устройство детектора и полученный сигнал

Экспериментальная установка KOTO работает в исследовательском комплексе J-PARC в Японии. Физический процесс строится по следующим шагам:

1. Ускоритель разгоняет пучок протонов до высокой энергии (30 гигаэлектронвольт) и направляет его на золотую пластину-мишень.
2. В результате ядерных соударений протонов с золотом рождаются потоки вторичных частиц.
3. Система магнитов и поглотителей отклоняет заряженные частицы и очищает пучок от короткоживущих компонент. В результате к вакуумной трубе установки долетает поток долгоживущих нейтральных частиц — в основном каоны и нейтроны.
4. Внутри трехметровой вакуумной камеры каоны распадаются во время полета.

Сложность регистрации этого распада связана с тем, что нейтрино практически не взаимодействуют с веществом детектора и улетают бесследно. Эксперимент регистрирует только нейтральный пион. Этот пион живет меньше квадриллионной доли секунды и распадается прямо в точке своего появления на два фотона высокой энергии (гамма-кванта).

На выходе из вакуумной трубы установлен электромагнитный калориметр. Он фиксирует координаты и энергию двух фотонов. Стенки вакуумной камеры закрыты слоем защитных датчиков (вето-детекторов), которые отслеживают, чтобы в этот момент в установке не появилось никаких посторонних заряженных или нейтральных частиц.

Если калориметр видит ровно два фотона, защитные детекторы молчат, а закон сохранения импульса показывает, что часть энергии ушла в неизвестном направлении, физики регистрируют событие-кандидат. Предполагается, что недостающую энергию унесли невидимые нейтрино.

• Ожидание экспериментаторов: с учетом фона и чувствительности приборов ожидалось обнаружить в среднем 0,1 события (то есть вероятность увидеть хотя бы одно событие была крайне мала).

• Фактический результат KOTO: было зарегистрировано 4 события-кандидата (три из которых находились в зоне полной уверенности измерений).

Если пересчитать три надежных события в физическую вероятность, частота распада составила примерно 2100 событий на один триллион распадов каона.

Это значение превысило расчеты Стандартной модели почти в 60-100 раз. Вероятность того, что такой избыток возник из-за случайной статистической ошибки, составила менее одной сотой доли процента.

Математический барьер: предел Гроссмана — Нира

Если бы эксперимент KOTO проводился в изоляции от других исследований, ученые могли бы объявить об открытии новой физики. Однако существует математическое правило, связывающее распады нейтральных каонов с распадами их заряженных собратьев.

В 1997 году физики-теоретики Йоси Гроссман и Йоси Нир сформулировали теорему, основанную на законе изотопической симметрии. Поскольку заряженные и нейтральные каоны состоят из практически одинаковых кварков, вероятность их распадов строго взаимосвязана.

Правило предела Гроссмана — Нира гласит, что вероятность распада нейтрального каона на пион и пару нейтрино математически не может превышать вероятность аналогичного распада заряженного каона, умноженную на коэффициент 4,3.

Параллельно в европейском научном центре ЦЕРН работал эксперимент NA62. Его задача состояла в измерении распада заряженного каона: превращения положительного каона в положительный пион и пару нейтрино.

Эксперимент NA62 получил результат, в котором частота распада заряженного каона составила около 47 событий на триллион, что строго совпало с расчетами Стандартной модели.

Складывается следующее противоречие:

1. Эксперимент NA62 зафиксировал стандартную частоту распада заряженного каона: около 47 событий на триллион.
2. По формуле Гроссмана — Нира нейтральный каон в KOTO не имеет права распадаться чаще, чем: 47*4,3 = не более 200 событий на триллион.
3. Эксперимент KOTO показал частоту: 2100 событий на триллион.

Результаты двух крупнейших ускорительных лабораторий мира вступили в прямое противоречие с уровнем расхождения в 2,5 стандартных отклонения. Нарушить сам предел Гроссмана — Нира теоретически почти невозможно: для этого потребовалось бы отбросить фундаментальные принципы квантовой теории.

Международная группа физиков-теоретиков провела детальный анализ этого конфликта и предложила три варианта объяснения, сохраняющих законы физики.

Сценарий 1. Сверхтяжелые переносчики взаимодействий

Первая гипотеза объясняет наблюдаемый избыток классическим путем: в процесс вмешивается неизвестная сверхтяжелая частица.

Это может быть гипотетический тяжелый нейтральный бозон (его часто называют Z-штрих бозоном), предсказываемый расширенными теориями великого объединения. Обмениваясь квантовыми состояниями со странным и нижним кварками, такая тяжелая частица увеличивает общую вероятность распада каона, не меняя внешнего вида самого события.

Расчеты показали, что чтобы этот механизм объяснил избыток событий в KOTO и при этом минимально конфликтовал с данными европейского детектора NA62, масса новой частицы должна соответствовать колоссальному энергетическому масштабу от 110 до 150 тераэлектронвольт (ТэВ).

Для сравнения, максимальная энергия столкновения протонов на Большом адронном коллайдере составляет около 14 ТэВ. Если природа устроена таким образом, следы новой физики лежат далеко за пределами возможностей существующих и проектируемых коллайдеров.

Однако этот сценарий сталкивается с серьезной проблемой. Если новая тяжелая частица взаимодействует с электронами и мюонами так же, как с нейтрино, она должна неизбежно усиливать и другие редкие распады каонов — например, распад каона на пион и пару электрон-позитрон или пару мюон-антимюон.

Такие процессы исследовались в других лабораториях, и никаких аномалий там обнаружено не было. Чтобы спасти данную модель, физикам приходится вводить искусственные ограничения: предполагать, что новая тяжелая частица взаимодействует исключительно с тау-нейтрино или с пока не открытыми стерильными нейтрино.

Сценарий 2. Рождение новой нестабильной частицы

Второй вариант снимает противоречие между экспериментами за счет изменения природы улетающей энергии.

Ученые предположили, что каон распадается не на три частицы (пион и пару нейтрино), а всего на две — на обычный нейтральный пион и одну новую легкую нейтральную частицу (обозначим ее как частицу X).

Схема двухчастичного распада: нейтральный каон распадается на нейтральный пион и неизвестную нейтральную частицу X.

Если масса частицы X невелика (менее 180 мегаэлектронвольт), распределение скоростей и углов вылета фотонов в калориметре KOTO практически неотличимо от трехчастичного распада с парой нейтрино.

Главная идея сценария заключается в том, что частица X не является абсолютно стабильной. Она должна жить очень короткое время — от одной сотой до одной десятой доли наносекунды (то есть несколько десятков пикосекунд) — и распадаться на два фотона.

Это предположение полностью объясняет, почему японский детектор KOTO зафиксировал сигнал, а европейский NA62 его не увидел. Причина кроется в фундаментальной разнице размеров установок и скоростей частиц:

Детектор KOTO (Япония)

• Длина рабочей камеры: 3 метра.
• Энергия пучка: относительно низкая (1,5 гигаэлектронвольт).
• Поведение частицы X: частица движется с умеренной скоростью и успевает пролететь 3 метра насквозь, покинув детектор до своего распада. Калориметр видит только недостающую энергию. Сигнал регистрируется.

Детектор NA62 (ЦЕРН)

• Длина рабочей камеры: 150 метров.
• Энергия пучка: очень высокая (37 гигаэлектронвольт).
• Поведение частицы X: Из-за релятивистского эффекта замедления времени частица живет дольше, но распадная камера NA62 длиннее в 50 раз. На дистанции в 150 метров частица X неизбежно распадается на два фотона прямо внутри прибора. Защитные вето-детекторы NA62 фиксируют эти фотоны и немедленно бракуют событие как фоновое.

В результате оба эксперимента оказываются правы. KOTO регистрирует рождение частицы X как «невидимый распад», а NA62 отсекает его своими вето-системами. Предел Гроссмана — Нира в этом случае не нарушается, так как природа улетающей энергии кардинально отличается от стандартных нейтрино.

Сценарий 3. Ложный сигнал от частиц из мишени

Третий сценарий предполагает, что зафиксированные события вообще не являлись распадами каонов, а представляли собой неизвестный ранее тип инструментального фона.

Когда разогнанные протоны с энергией 30 гигаэлектронвольт ударяют в золотую мишень, в ней могут рождаться легкие гипотетические объекты — аксионоподобные частицы. Это нейтральные бесспиновые частицы, предсказываемые многими теориями квантовой гравитации и моделями темной материи.

Механизм возникновения ложного сигнала описывается следующей цепочкой событий:

1. Протонный пучок бьет в золотую мишень под углом 16 градусов к главной оси установки.
2. В мишени рождается аксионоподобная частица с массой около 200 мегаэлектронвольт, которая летит в сторону вакуумной камеры под небольшим углом к центральной оси.
3. Пролетев около 25 метров, эта частица попадает внутрь вакуумного объема KOTO и распадается на два фотона.
4. Фотоны попадают в калориметр на торце установки.

Здесь срабатывает особенность математических алгоритмов KOTO. Компьютерная программа обработки данных жестко запрограммирована на два правила:

• Считать, что любой распад произошел строго на центральной линии трубы (где движется пучок каонов);
• Считать, что источником двух фотонов всегда является распавшийся нейтральный пион с фиксированной массой 135 мегаэлектронвольт.

Поскольку аксионоподобная частица летела сбоку и распалась в стороне от центральной оси, алгоритм принудительно пересчитывает координаты точки распада так, будто она находилась на оси.

В результате геометрической ошибки проекции алгоритм неверно вычисляет энергию и поперечный импульс. Программа делает вывод, что на оси распался нейтральный каон, образовался пион, а часть энергии бесследно унесли нейтрино. Событие ошибочно заносится в категорию редкого распада каона.

В эксперименте NA62 этот механизм не срабатывает, поскольку триггеры европейской установки требуют обязательного наличия электрического трека от входящего заряженного каона. Частицы из мишени этот триггер просто не активируют.

Итоги исследования и значение для науки

Теоретический анализ группы под руководством Теппея Китахары показал, что аномалию KOTO невозможно объяснить простой статистической погрешностью без привлечения новых физических моделей:

• Либо за счет сверхтяжелых переносчиков сил на масштабе 150 ТэВ;
• Либо за счет легкой нестабильной частицы с временем жизни около пяти сотых наносекунды;
• Либо за счет рождения аксионоподобных частиц в мишени ускорителя.

После выхода этих теоретических работ ученые модернизировали детектор KOTO. В течение 2020-2021 годов физики установили дополнительные защитные счетчики вокруг входной зоны пучка и уточнили параметры моделирования фоновых процессов.

В результате модернизации выяснилось, что первоначальный избыток событий был вызван сложным аппаратурным фоном — шальные нейтроны пучка сталкивались со стенками коллиматора на входе в камеру, выбивая нейтральные мезоны и нестабильные барионы, которые затем распадались на фотоны и симулировали искомый распад. После включения новых защитных систем измеренная частота распадов каона снизилась и вернулась в рамки ограничений Стандартной модели и предела Гроссмана — Нира.

Несмотря на инструментальное происхождение конкретного сигнала 2019 года, созданные физиками теоретические модели обогатили программу поиска новых явлений.

Механизмы симуляции сигналов за счет короткоживущих нейтральных частиц и аксионов из мишеней сегодня используются при проектировании новых экспериментов в ЦЕРНе (таких как SHiP и NA64). Ученые продолжают применять эти расчеты для поиска частиц скрытого сектора Вселенной на стыке высокой точности измерений и квантовой теории.

Источник: Physical Review Letters