После 40 лет поисков физики получили первые свидетельства распада ультраредких частиц

Участники международной коллаборации LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН впервые в рамках одного эксперимента зафиксировали статистические признаки крайне редкого распада нейтрального мезона B⁰ на мюон и антимюон (B⁰ → µ⁺µ⁻). Результаты исследования опубликованы на сервере препринтов arXiv и направлены в журнал Physical Review X.

Мезон B⁰ (или Bd) — короткоживущая субатомная частица со временем жизни около 1,5 пикосекунды, состоящая из прелестного b-кварка и нижнего d-антикварка. При распаде они аннигилируют, а энергия переходит в пару мюонов — частиц, аналогичных электрону, но превосходящих его по массе. Поиски этого процесса велись с 1984 года, когда в эксперименте CLEO установили первое ограничение на его частоту. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, такой переход происходит в 1,03 случая на 10 миллиардов распадов B⁰-мезонов. В 2015 году коллаборации LHCb и CMS сообщали о признаках процесса на уровне 3,0 стандартного отклонения (сигма), однако данные до 2018 года этот порог не подтвердили.

Выделить сигнал из фона удалось после модернизации детектора LHCb в 2024 году, увеличившей скорость сбора данных в пять раз за счет обновленного кремниевого трекера VELO в 5 миллиметрах от пучка и детекторов RICH. Анализ столкновений протонов за 2024-2025 годы при энергии 13,6 ТэВ (интегральная светимость 18 обратных фемтобарн) с применением машинного обучения дал статистическую значимость в 3,0 сигма. В сочетании с данными 2011-2018 годов показатель вырос до 3,2 сигма, превысив порог свидетельства процесса в 3 сигма (вероятность случайного совпадения — 0,3%). Доля таких распадов по всем данным составила 1,14 на 10 миллиардов (1,26 +- 0,5 на 10 миллиардов за 2024-2025 годы).

Одновременно ученые выполнили наиболее точное измерение родственного распада более тяжелого мезона B⁰s на два мюона (B⁰s → µ⁺µ⁻), открытого в 2015 году. Его вероятность примерно в 30 раз выше: зафиксировано 3,31 случая на миллиард при теоретическом расчете 3,66 на миллиард. Эффективное время жизни мезона B⁰s в этом канале составило 1,60 пикосекунды (1,42 +- 0,18 пикосекунды по новым данным).

Оба измерения согласуются со Стандартной моделью и уточняют ограничения на гипотетические частицы на масштабах порядка зептометра (10⁻²¹ метра). Для статуса открытия распада B⁰ → µ⁺µ⁻ нужна значимость в 5 сигма, которую планируется достичь после запуска коллайдера HiLumi LHC в 2030 году.

Источник: home.cern