Учёные коллаборации LHCb, работающей на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, впервые зафиксировали крайне редкий распад бариона сигма-плюс (Σ⁺) на протон и пару мюонов противоположного заряда. Это событие стало самым редким распадом бариона в истории наблюдений. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters (PRL) 19 августа 2025 года.

Что такое барионы и почему это важно?

Барионы — это частицы, состоящие из трёх кварков, связанных сильным ядерным взаимодействием. Они являются основой видимой материи во Вселенной, включая протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. Изучение редких распадов барионов, таких как Σ⁺, может указать на физические процессы, выходящие за рамки Стандартной модели — современной теории, описывающей фундаментальные частицы и их взаимодействия.

Редкие распады привлекают внимание учёных, так как они могут намекать на существование неизвестных частиц или сил, которые не укладываются в существующую теорию. Это делает подобные открытия ключом к пониманию загадок Вселенной, включая барионную асимметрию — преобладание материи над антиматерией.

История вопроса: эксперимент HyperCP

Интерес к распаду Σ⁺ на протон и мюонную пару (мюон и антимюон) возник в 2005 году, когда эксперимент HyperCP в Фермилабе (США) зафиксировал три случая такого распада. Необычным оказалось то, что масса мюонной пары во всех трёх случаях была одинаковой, что вызвало гипотезу о возможном существовании неизвестной промежуточной частицы, участвующей в процессе.

«Мы анализировали данные, собранные в 2016–2018 годах при протон-протонных столкновениях. За это время в эксперименте родилось около ста триллионов Σ-барионов, среди которых мы и искали следы редкого распада», — рассказал Габриэле Мартелли из Национального института ядерной физики в Перудже.

Однако подтвердить природу этих событий в HyperCP было сложно из-за малого количества данных. Новый эксперимент LHCb стал прорывом, позволив собрать значительно больше статистики.

Уникальность распада Σ⁺

Барион сигма-плюс (Σ⁺), состоящий из двух верхних кварков (u) и одного странного кварка (s), обладает сравнительно долгой «жизнью» — он может существовать достаточно долго, чтобы пролететь десятки сантиметров от точки столкновения протонов в коллайдере. Это облегчает его обнаружение, но создаёт проблему: другие частицы могут создавать ложные сигналы, имитирующие искомый распад.

Для устранения помех физики использовали алгоритмы машинного обучения, которые позволили отфильтровать случайные комбинации частиц и выделить истинные события распада. В результате учёные зафиксировали сотни случаев распада Σ⁺ на протон, мюон и антимюон — это самый редкий барионный распад, когда-либо наблюдавшийся.

Что показали результаты?

Анализ данных показал, что вероятность и характеристики распада Σ⁺ соответствуют предсказаниям Стандартной модели, что исключает аномалии, предположенные в эксперименте HyperCP. Это означает, что гипотеза о неизвестной промежуточной частице пока не подтвердилась.

«Теперь мы можем сравнить вероятность и свойства этого процесса с предсказаниями Стандартной модели», — пояснил профессор Франческо Деттори из Университета Кальяри. — «Исторически именно редкие распады помогали открывать новые частицы задолго до того, как ускорители смогли бы создать их напрямую».

Однако отсутствие отклонений от Стандартной модели не умаляет значимости открытия. Оно подтверждает высокую точность теоретических предсказаний и открывает путь к дальнейшим исследованиям.

Следующий шаг: CP-нарушение и барионная асимметрия

Коллаборация LHCb планирует сосредоточиться на изучении CP-нарушения — различий в поведении частиц и античастиц. Это явление может объяснить, почему во Вселенной доминирует материя, а антивещество практически отсутствует, несмотря на то, что после Большого взрыва их должно было образоваться поровну.

Редкий распад Σ⁺ предоставляет уникальную возможность для таких исследований. Если в будущем будут обнаружены отклонения от предсказаний Стандартной модели, это может указать на новые физические явления, которые помогут разгадать загадку барионной асимметрии.

Вкратце…

Открытие коллаборации LHCb — это исторический прорыв в физике элементарных частиц. Впервые зафиксирован сверхредкий распад бариона сигма-плюс (Σ⁺) на протон и мюонную пару, что стало возможным благодаря анализу данных протон-протонных столкновений 2016–2018 годов и использованию машинного обучения. Хотя результаты соответствуют Стандартной модели, они открывают новые перспективы для изучения CP-нарушения и поиска физики за её пределами. Это достижение подчёркивает мощь Большого адронного коллайдера и значимость редких процессов в раскрытии тайн устройства Вселенной.