Наука и Техника

Наука И Техника
16 мая 2015

В Большом Адроном Коллайдере зарегистрирован чрезвычайно редкий вид распада одной из экзотических частиц
Большой Адронный Коллайдер

Открытие бозона Хиггса, которое в 2012 году сделали физики Европейской организации ядерных исследований CERN, работающие на самом мощном ускорителе частиц, Большом Адроном Коллайдере (БАК), стало триумфом для ученых, занимающихся фундаментальной физикой и Стандартной Моделью физики элементарных частиц. Эта Стандартная Модель определяет, как формируются все элементарные частицы, как они ведут себя и каким образом они распадаются на другие элементарные частицы. И до сих пор в Стандартной Модели достаточно точно описываются все процессы и явления, наблюдаемые учеными.

Однако, ни для кого не является тайной, что существующая Стандартная Модель далека от полноты. В ней отсутствуют частицы, которые можно причислить к частицам неуловимой темной материи, в Модели не содержится никаких объяснений, почему во Вселенной присутствует больше обычной материи, нежели антиматерии, и отсутствует описание механизмов, за счет которых частицы нейтрино приобретают массу.

Обнаружение новых видов частиц, которые не существуют в рамках Стандартной Модели, служит еще одним подтверждение ее неполноты и признаком того, что современная наука уже готовится ступить за рамки этой модели. Но для этого не обязательно найти саму экзотическую частицу, выходящую за рамки Стандартной Модели, в некоторых случаях достаточно зарегистрировать необычный распад одной из известных частиц, который также не вписывается в рамки модели.

И совсем недавно ученые сразу двух экспериментов БАК, LHCb и CMS, объявили о том, что им удалось идентифицировать один из видов необычных распадов, проанализировав данные, собранные на коллайдере за 2011 и 2012 года. Но, как это не странно, данный распад происходит при условиях и показателях, которые полностью соответствуют Стандартной Модели.

Вышеупомянутый распад является распадом частиц, называемых нейтральными B-мезонами, которые состоят из b-антикварка, частицы, которая весит в четыре раза больше, чем протон. В нейтральных B-мезонах антикварк соединен со вторым кварком, странным или нижним, так что, по сути B-мезон весьма напоминает экзотический более тяжелый вариант нейтрона.

Распад B-мезонов

B-мезоны могут распадаться несколькими различными путями, наиболее распространенный из которых завершается образованием единственного мюона (более тяжелого "родственника" электрона) и нейтрино. Но существует очень редкий вид распада, который затрагивает самую тяжелую частицу в составе B-мезона, и в результате которого на свет появляется мюон и антимюон. Стандартная Модель определяет, что такой путь распада B-мезона - это крайне редкое явление, которое происходит приблизительно четыре раза на миллиард распадов нейтральных B-мезонов одного вида, и один раз на 10 миллиардов распадов нейтральных B-мезонов второго вида.

Принимая во внимание цифры, указанные чуть выше, поиск таких видов распада B-мезона является весьма тяжелым и кропотливым занятием, занимаясь которым необходимо отфильтровать огромное количество других видов распада, оставив только те, которые приводят к возникновению комбинации мюон-антимюон. Но, у коллайдера имеется датчик LHCb, одной из специализаций которого является изучение B-мезонов, и данные от этого датчика, объединенные с данными, собранными другим датчиком, CMS, все же позволили выявить случаи уникального вида распада.

Нейтральные B-мезоны живут достаточно долго для того, чтобы переместиться на несколько сантиметров от места столкновения лучей протонов в ускорителе, а два мюона, получающиеся во время редкого распада, являются достаточно "разборчивой" подписью этого события. Но, для того, чтобы выявить случаи таких событий, ученым пришлось провести достаточно большое количество расчетов математических моделей, на результатах которых было произведено обучение специализированного аналитического программного обеспечения.

Случая обычного распада B-мезонов были зарегистрированы со значением среднеквадратичного отклонения более шести сигм при уровне, абсолютно совпадающем с теоретическим уровнем Стандартной Модели. Но случаи уникальных распадов, которых насчиталось в сумме около сотни, имели среднеквадратичное отклонение порядка 3.2 сигмы, чего пока еще недостаточно для того, чтобы считать это достоверным открытием. Темп обнаружения случаев уникального распада B-мезонов немного превышает теоретическое значение, но пока еще укладывается в рамки Стандартной Модели.

К сожалению, в полученных учеными результатах нет признаков существования "потусторонней" физики, выходящей за рамки Стандартной Модели. Однако, более высокоэнергетические столкновения, которые начнут проводиться в скором времени на коллайдере, могут выявить неизвестные тяжелые частицы, которые могут быть частицами темной материи, которые в чем-то будут подобны истинным кваркам и наличие которых увеличит количество случаев редких видов распадов известных частиц. И исследователи, получив экспериментальные данные о разнице между теоретическим и практическом количестве случаев уникальных распадов, уже имеют на руках некоторые подсказки касательно направления, в котором им нужно "копать" далее.