Один на мільйон. Саме стільки B-мезонів розпадається так, як зафіксували вчені на Великому адронному колайдері і саме ця мільйонна частка може зруйнувати теорію, яка трималася півстоліття.
Результати, опубліковані у Physical Review Letters, показують відхилення в чотири сигми від того, що передбачає Стандартна модель. Простими словами: ймовірність, що це випадковість один до шістнадцяти тисяч.
Це ще не фінал. Але це найгучніший тріск у фундаменті фізики за останні десятиліття.
Півстоліття без єдиної тріщини
Стандартна модель це не просто теорія. Це карта всього, з чого складається матерія. Вона описує дванадцять фундаментальних частинок, чотири сили природи та практично все, що ми спостерігаємо у Всесвіті. Кварки, лептони, глюони, фотони усе це має свої чіткі місця у велетенській головоломці.
Проте карта має сліпі плями. Стандартна модель не пояснює гравітацію. Не пояснює темну матерію невидиму речовину, яка становить приблизно 25% усієї маси Всесвіту. Не пояснює, чому Всесвіт складається з матерії, а не з антиматерії.
П’ятдесят років фізики шукали хоч одну тріщину. Хоч один експеримент, який би сказав: «Тут щось не так». І не знаходили. Кожне вимірювання від електронів до бозона Хіггса лягало у рамки моделі з хірургічною точністю.
Доки не з’явилися пінгвіни.
Деколь пінгвінів
Термін «пінгвінний розпад» з’явився у фізиці не через зовнішню схожість із птахами хоча з певною уявою розташування частинок дійсно нагадує пінгвіна. Назву придумав фізик Джон Елліс після барної суперечки з колегою, де фінальним аргументом стала гра в дартс. Проте за жартівливою назвою ховається процес неймовірної елегантності.
Ось що відбувається: B-мезон нестабільна частинка, що містить так званий «чарівний кварк» перетворюється на чотири інші частинки: каон, піон та два мюони. Це перетворення надзвичайно рідкісне. З мільйона B-мезонів лише один обирає саме цей шлях.
Саме така рідкість робить пінгвінні розпади ідеальним інструментом пошуку. Чому? Тому що внесок Стандартної моделі тут мінімальний. Будь-яка нова частинка чи сила, що впливає на процес, стає помітною на тлі цього крихітного сигналу як голос у повній тиші.
«Пінгвінні процеси унікально чутливі до ефектів потенційно дуже важких нових частинок, які неможливо створити безпосередньо на LHC», пояснюють автори дослідження Вільям Бартер та Марк Сміт.
Це не новий підхід. Радіоактивність відкрили на 80 років раніше, ніж знайшли частинки, що її викликають W-бозони. Непряме спостереження працює.
Чотири сигми
У науці про частинки є золотий стандарт: п’ять сигм. Це означає, що ймовірність випадкового збігу один до 1,7 мільйона. Тільки після цього фізики офіційно оголошують відкриття. Бозон Хіггса перетнув цю межу у 2012 році.
Чотири сигми це один до 16,000. Серйозно, але не остаточно. Проте є нюанс, який робить ці результати особливо звабливими.
- Незалежне підтвердження експеримент CMS, окремий детектор на LHC, отримав схожі результати раніше у 2025 році
- Збіжність даних два різні експерименти вказують у одному напрямку
- Масштаб аналізу вчені проаналізували приблизно 650 мільярдів розпадів B-мезонів, зібраних між 2011 та 2018 роками
Шукали голку в стозі сіна і знайшли щось, що не схоже на голку.
Що всередині
Якщо Стандартна модель дійсно тріскається, що може ховатися в щілині? Найцікавіших кандидатів два.
Перший лептокварки. Гіпотетичні частинки, що об’єднують два типи матерії: лептони (електрони, мюони, нейтрино) та кварки (ті, з яких складаються протони й нейтрони). У Стандартній моделі вони живуть окремо. Лептокварки були б мостом між двома світами.
Другий важкі аналоги існуючих частинок. Свого роду «старші брати» тих частинок, що ми вже знаємо. Вони занадто важкі, щоб народжуватися у зіткненнях на LHC безпосередньо, але їхня тінь може падати на пінгвінні розпади.
Є й обережне пояснення: так звані «чарівні пінгвіни» набір процесів усередині самої Стандартної моделі, розрахувати які надзвичайно складно. Деякі оцінки припускають, що вони можуть пояснити частину аномалії. Але не всю.
Комбінація теоретичних розрахунків та експериментальних даних LHCb свідчить: чарівні пінгвіни не закривають прогалину. Щось інше діє на частинки.
Тричі більше даних
Найцікавіше попереду. З 2018 року детектор LHCb зібрав утричі більше B-мезонів, ніж було в оригінальному аналізі. Ці дані ще не повністю оброблені. Коли вчені їх розгортають, картина може стати набагато чіткішою або зникнути зовсім.
А в 2030-х роках заплановано оновлення LHC до High-Luminosity LHC версії з у 15 разів більшим обсягом даних порівняно з тим, що є сьогодні. Це означає, що кожен розпад, кожна аномалія, кожен пінгвін буде зафіксований з точністю, про яку зараз можна лише мріяти.
Історія фізики частинок знає такі моменти. У 1960-х теорія передбачала існування кварків але довести це експериментально вдалося лише згодом. У 2012-му бозон Хіггса перейшов з розряду гіпотези у розряд факту. Кожне велике відкриття починалося з дивної невідповідності, маленького «тут щось не так».
Сьогодні це «не так» вимірюється чотирма сигмами. Завтра можливо, п’ятьма.
Пінгвіни постукали у двері. Залишається відкрити.
Про автора
