Эксперимент NA62: загадочный распад каона озадачил учёных ЦЕРН

Физики зафиксировали долгожданный процесс распада частицы, который может свидетельствовать о существовании новых сил и частиц во Вселенной. Этот редчайший процесс, связанный с каонами — эфемерными частицами, которые появляются на очень короткое время, — может указывать на неизвестные явления. Несмотря на то, что подобные исследования остаются малозаметными для большинства людей, для учёных они имеют большое значение, так как могут раскрыть скрытые аспекты нашего мира.

Недавно в рамках эксперимента NA62 в ЦЕРНе, крупнейшей в мире лаборатории физики частиц, расположенной вблизи Женевы, учёные впервые зафиксировали крайне редкий распад каона, который, возможно, происходит чаще, чем предсказанная вероятность один на 10 миллиардов. Это может означать, что в процессе участвуют неизвестные частицы или силы, которые ранее не были обнаружены.

Тридцать лет назад теоретический физик Анджей Бурас из Технического университета Мюнхена вместе со своим учеником Герхардом Бухаллой разработал первую продвинутую теорию частоты этого редкого распада в рамках Стандартной модели. Бурас с оптимизмом воспринимает новые данные, полагая, что частота распада может оказаться выше предсказанной. Однако он предостерегает, что пока результаты недостаточно убедительны для окончательных выводов. По его словам, в ближайшие недели появится множество новых исследований, предлагающих различные объяснения полученного результата.

Каоны представляют собой частицы, содержащие так называемые странные кварки — это более тяжёлые и экзотические версии кварков, из которых состоят атомы. Каоны были впервые обнаружены в 1947 году, и хотя они редко встречаются в природе, их можно создавать в лабораториях или при столкновении космических лучей с атмосферой Земли. В нормальных условиях эти частицы быстро распадаются на множество других. Однако наблюдаемый в эксперименте NA62 распад происходит исключительно редко и не характерен для привычных условий.

Для создания условий, при которых можно наблюдать этот процесс, учёные использовали поток протонов, направленный на неподвижную мишень из бериллия. В результате столкновений образовывались каоны, которые затем двигались по 150-метровому вакуумному тоннелю, постепенно распадаясь. В конце этого туннеля находился детектор, способный измерить скорость, энергию и другие параметры всех частиц, проходящих через него. Чтобы выявить нужное событие — распад каона на пион, нейтрино и антинейтрино — учёные должны были исключить все остальные частицы.

Настолько редкий процесс требует участия виртуальных частиц — феномена, допускаемого законами квантовой механики, согласно которым частицы могут возникать из ничего и мгновенно исчезать. Эти виртуальные частицы могут вмешиваться в процесс преобразования одной частицы в другую, изменяя ход распада. Например, при распаде каона могут появляться виртуальные версии W- и Z-бозонов, частиц, ответственных за слабое ядерное взаимодействие. Это вмешательство позволяет каону распадаться на пион и два нейтрино, что и пытались зафиксировать в NA62. Согласно Стандартной модели, такое событие должно происходить восемь раз на 100 миллиардов распадов.

Если этот процесс наблюдается чаще или реже, чем предсказано, это может означать, что вмешиваются неизвестные частицы или силы. Бурас подчёркивает, что Стандартная модель — наилучшее из существующих объяснений физики частиц — работает очень хорошо, но остаются вопросы, на которые она не может ответить. К ним относятся существование тёмной материи и причина, по которой во Вселенной существует материя, но нет антиматерии.

В эксперименте NA62 частота этого распада оказалась выше предсказанной и составила около 13 случаев на 100 миллиардов распадов, хотя точность измерений пока оставляет 25% неопределённости. Тем не менее, это обнадёживает физиков, и они предполагают, что процесс может отклоняться от предсказаний Стандартной модели. Для окончательных выводов потребуется больше данных, так как статистически эти результаты ещё не могут считаться доказательством.

Если будущие измерения подтвердят отклонения от Стандартной модели, существует несколько возможных объяснений. Одно из них — существование гипотетической частицы Z', которая является более тяжёлой версией известного Z-бозона, но, в отличие от него, несёт какую-то другую силу. Ещё одним возможным кандидатом является лептокварк — частица, которая может преобразовывать кварки в лептоны, в число которых входят электроны и нейтрино, и наоборот.

Хотя эти гипотетические частицы не способны напрямую объяснить существование тёмной материи или других загадок Вселенной, их открытие может проложить путь к решению глобальных вопросов. Как отмечает Кристина Лазцерони из Бирмингемского университета, член команды NA62, открытие новых частиц можно сравнить с открытием окна в новый мир, который может оказаться очень богатым.

Если такие частицы действительно существуют, они могут вмешиваться и в другие редкие процессы распада частиц, которые исследуются в рамках различных экспериментов по всему миру. Например, эксперименты LHCb в ЦЕРНе или Belle II и J-PARC в Японии могут также зафиксировать отклонения от Стандартной модели в своих данных.

Теоретический физик Андре Де Говеа из Северо-Западного университета также отметил значимость нового открытия. По его словам, этот распад является «очень чистым» с точки зрения расчётов и чувствителен к возможным новым явлениям. Эксперимент NA62 продлится ещё несколько лет, и к его завершению учёные ожидают собрать в четыре раза больше данных, что позволит повысить точность измерений и сделать более определённые выводы.