Физики эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК) обнаружили свидетельства одного из редчайших известных процессов в физике элементарных частиц. Речь идет о распаде мезона Bd на мюон и антимюон — событии, которое, согласно теоретическим расчетам, происходит примерно один раз на 10 млрд распадов частиц с b-кварком. На поиски этого процесса ученые потратили более 40 лет.

Результаты представили на семинаре в CERN. Это первый случай, когда одному эксперименту удалось собрать достаточно данных, чтобы получить статистически значимые свидетельства такого редкого распада. Пока речь не идет об окончательном подтверждении открытия, но результат приближает физиков к изучению процессов, которые могут указывать на существование неизвестных частиц, рассказывает Science Daily.

Редкий распад как способ искать новую физику

Объект исследования — мезон Bd, состоящий из b-кварка (красивого кварка) и d-антикварка. В ходе обнаруженного процесса эта частица распадается на пару мюонов: положительно и отрицательно заряженных частиц, похожих на электроны, но значительно более тяжелых.

Особенность таких распадов заключается в том, что на их вероятность могут влиять другие частицы, даже если они слишком тяжелые, чтобы их можно было непосредственно создать на Большом адронном коллайдере. Согласно квантовой теории, подобные частицы способны участвовать в промежуточных процессах и оставлять косвенные следы в результатах измерений.

Поэтому физики внимательно изучают крайне редкие распады: если экспериментальная частота процесса отличается от предсказаний теории, это может указывать на неизвестные взаимодействия или новые частицы.

Распад Bd → μ⁺μ⁻ относится к так называемым золотым каналам поиска физики за пределами Стандартной модели — основной теории, описывающей известные элементарные частицы и их взаимодействия. Чем точнее ученые измеряют вероятность такого события, тем больше возможностей обнаружить отклонения от теоретических расчетов.

Почему на поиски ушло больше 40 лет

Физики уже исследовали похожий процесс с участием другого мезона — Bs. В 2015 году совместный анализ экспериментов LHCb и CMS позволил впервые подтвердить распад Bs → μ⁺μ⁻. Тогда же появились первоначальные свидетельства более редкого распада Bd.

Однако последующие исследования, включавшие данные, собранные до 2018 года, не смогли подтвердить эти предварительные результаты.

Разница между двумя процессами существенная. Распад Bs происходит примерно три раза на миллиард распадов частиц с b-кварком. Процесс с участием Bd примерно в 30 раз реже — отсюда и огромная сложность его регистрации.

Для обнаружения сигнала исследователям приходится отделять буквально единичные интересующие их события от колоссального количества других процессов, возникающих при столкновениях частиц.

Обновленный детектор и машинное обучение помогли обнаружить сигнал

Важную роль в новом результате сыграла модернизация эксперимента LHCb. После обновления детектор начал собирать данные в 2024 году с частотой в пять раз выше, чем в период с 2010 по 2018 год. Кроме того, его возможности по распознаванию различных частиц стали лучше.

Исследователи дополнили новые технические возможности методами машинного обучения. Алгоритмы помогли отличать редкие события с образованием мюонов от многочисленных фоновых процессов, которые могли бы скрыть искомый сигнал.

Международная команда из 19 ученых объединила данные за 2024 и 2025 годы. Полученная статистическая значимость составила 3,0 стандартного отклонения. После добавления результатов предыдущих измерений за 2011–2018 годы показатель вырос до 3,2.

По словам Марко Сантиамарии, одного из руководителей исследовательской группы, обнаружение распада потребовало исключительно точной работы: необходимо было выделить сигналы от мюонов на фоне огромного количества других событий.

Почему это еще не открытие

В физике элементарных частиц для оценки надежности результата используют статистическую величину — число стандартных отклонений, или сигму. Она показывает, насколько маловероятно получить наблюдаемый сигнал в результате случайных статистических колебаний.

Порог в три сигмы считается достаточным для заявления о свидетельствах нового явления. Вероятность того, что случайные колебания дадут столь же сильный или более выраженный сигнал, при этом составляет около 0,3%.

Но для полноценного подтверждения открытия физикам требуется достичь пяти сигм. Новый результат LHCb пока не соответствует этому критерию: 3,2 сигмы позволяют говорить о свидетельствах редкого распада, но не о его окончательном экспериментальном подтверждении.

В рамках того же исследования ученые получили и наиболее точные на сегодняшний день измерения распада Bs → μ⁺μ⁻. Это позволит лучше сопоставлять свойства двух процессов и проверять теоретические предсказания.

Что дадут будущие модернизации коллайдера

Следующий важный этап для таких исследований — запуск модернизированного Большого адронного коллайдера высокой светимости (HiLumi LHC), запланированный на 2030 год. В середине следующего десятилетия также предполагается очередное масштабное обновление эксперимента LHCb.

В совокупности эти изменения могут увеличить скорость сбора данных еще в десять раз. Чем больше столкновений удастся исследовать, тем больше редких распадов смогут зарегистрировать физики и тем точнее будут их измерения.

Это особенно важно для поиска частиц, которые невозможно непосредственно получить на существующих ускорителях. Их влияние может проявляться лишь в небольших отклонениях вероятностей редких процессов от расчетов Стандартной модели.

Как отметил Гарри Клифф, координатор направления редких распадов LHCb, нынешний результат открывает новые возможности для исследования физики за пределами прямых экспериментальных возможностей коллайдера. Дальнейшая модернизация позволит наблюдать значительно больше подобных событий.

После четырех десятилетий поисков ученые наконец получили убедительные свидетельства распада Bd → μ⁺μ⁻. Теперь главная задача — накопить достаточно данных, чтобы подтвердить его с требуемой точностью. Само по себе это еще не означает обнаружения новой физики, но дает исследователям один из наиболее чувствительных инструментов для ее поиска.