Большой адронный коллайдер «закрыл» возможность революции в физике

Физики, работающие с Большим адронным коллайдером, сообщили о том, что им удалось зафиксировать редчайшую реакцию, которую долго искали в надежде на обнаружение новых частиц и расширение Стандартной модели.

Речь в сообщении исследователей, которое представлено на официальном сайте ЦЕРН идет о распаде Bs-мезонов: короткоживущих частиц, состояших из b-антикварка и s-кварка (любой мезон состоит из пары кварк-антиварк, всего кварков бывают шести видов - u,d,c,s,b,t). Ученые смогли экспериментально продемонстрировать то, что эти мезоны превращаются в пару из положительно и отрицательного заряженных мюонов - ну а те уже превращаются в нейтрино, антинейтрино, электроны и позитроны. Электрон с позитроном, в свою очередь могут аннигилировать с образованием двух квантов гамма-излучения, так что в итоге от Bs-мезона останется лишь излучение и нейтрино, которые свободно проходят через всю планету насквозь и практически ни с чем не реагируют.

Чем интересен этот распад и почему ему посвятили отдельную научную работу? Перед ответом на этот вопрос стоит пояснить, что термин "распад" как минимум не очень нагляден - частица, состоящая из того или иного набора кварков, вовсе не разваливается на эти кварки по отдельности. Более того, физики говорят о "распаде" и вовсе элементарных частиц, то есть тех же мюонов, у которых в принципе нет никаких составных частей. Чтобы не сбивать читателей с толку, поясним - под "распадом" понимаются реакции превращения одних частиц в другие: в данном случае превращения испытывают кварки в составе Bs-мезона. В мире нестабильных частиц возможностей для изменения частиц множество и Bs-мезон, например, "распадается" десятками разных способов - чаще всего b-антикварк становится с-кварком, после чего частица превращается из Bs-мезона в Ds-мезон. В котором потом тоже может происходить ряд реакций - но мы не будем здесь вдаваться в подробности и расписывать все сотни и тысячи возможных комбинаций конечных частиц, улетающих от места столкновения протонов в детекторах LHC.

Важно то, что все эти комбинации учитываются физиками. Детекторы собирают те частицы, которые можно собрать в принципе (нейтрино улетают мимо вопреки всем ухищрениям исследователей), а затем по ним восстанавливают картину реакций - подобно тому, как криминалисты по отметкам от осколков и фрагментам бомбы определяют то, какое же взрывное устройство сработало. На основе этих данных, в свою очередь строятся теории; Стандартная модель с ее перечнем кварков, лептонов и бозонов является именно обобщением и развитием опытных данных. В ней, разумеется, есть ряд предположений и как раз их-то продолжают проверять - обнаружение бозона Хиггса стало подтверждением правильности ключевой догадки о том, почему же различаются между собой свойства разных полей (ответ: потому что есть бозоны Хиггса, придающие некоторым частицам массу).

Стандартная модель предсказывала, что распад Bs-мезона на два разных мюона является очень маловероятным событием. То есть на триста с лишним миллионов всех "распадов" (еще раз подчеркнем условность термина!) приходится одна такая реакция. И, естественно, засечь ее среди многих других реакций было очень непросто. Ученые ждали несколько лет сбора достаточного количества данных о распадах всех частиц, причем все эти годы как на LHC, так и на другом крупнейшем ускорителе, Теватроне (США) столкновения протонов проводились практически непрерывно. Сутки за сутками электромагниты направляли пучки частиц по пересекающимся в центре детектора траекториям, а электроника детектора передавала на серверы ЦЕРН и Национальных лабораторий Ферми один терабайт данных за другим. Далее следовал долгий статистический анализ, в 2011 году группа с Теватрона сообщила о предварительном и весьма интересном результате, а сейчас озвучены уже достаточно уверенные выводы.

Распад существует. Но происходит с той вероятностью, с которой предсказывает Стандартная модель. Если бы вероятность была выше, это могло указывать на то, что процессу помогают какие-то еще неизвестные (хотя и предсказываемые рядом теорий) частицы - но, увы, пока что этих гипотетических частиц скорее нет.