Борьба с невидимым: Как исследование редких распадов частиц может открыть «зептоновую вселенную»

В последние десятилетия исследования в области физики элементарных частиц получили новый импульс благодаря работе Большого адронного коллайдера (БАК) в CERN. Хотя этот коллайдер подтвердил существование хиггсовского бозона и произвел множество других необходимых открытий, учёные всё еще ждут возможность раскрыть тайны, связанные с темной материей и ассиметрией материи и антиматерии. Ситуация, однако, начинает меняться благодаря новым теориям и исследовательским программам.

Основной акцент в своих размышлениях делает физик частиц Гарри Клифф, работающий над экспериментом LHCb. В своей статье он поднимает вопрос о том, почему мы не наблюдаем те результаты, которые могли бы ожидаемо подтвердить или опровергнуть существующие теории. Одной из возможностей, которую он рассматривает, является существование неизведанного мира частиц, который он называет «зептоновая вселенная». Этот концепт соответствует масштабам в 10^(-21) метра — зептометры, которые превышают возможности БАК по обнаружению элементарных частиц.

Проблема, с которой сталкивается современная физика, заключается в том, что многие ожидаемые открытия могут находиться за пределами существующих экспериментальных установок. Как подчеркивает Анджей Бурас из Технического университета Мюнхена, чтобы получить доступ к этой загадочной зептоновой вселенной, необходимо значительно улучшить инструменты наблюдения. В то время как БАК может анализировать частицы до 50 зептометров, новые проектируемые коллайдеры, такие как Будущий круговой коллайдер (FCC), смогут функционировать только через несколько десятилетий и будут способны проводить эксперименты с высокими энергиями не ранее 2070 года.

Тем не менее, Бурас утверждает, что существует возможность исследовать эту область физики косвенно, не дожидаясь создания новых коллайдеров. В своей статье, опубликованной в Physik Journal, он поднимает вопрос о том, можем ли мы достичь зептоновой вселенной через физику кварков и процессы нарушения лептонной симметрии за текущие годы без необходимости строить новый коллайдер.

В 2024 году Бурас предложил семь возможных целей для исследований, которые он назвал «великолепной семёркой». Все они представляют собой крайне редкие распады частиц, содержащих странные и нижние кварки, которые Клифф рассматривает как «эхо из зептоновой вселенной». Некоторые эксперименты уже ведут поиск этих редких распадов.

Одним из примеров является распад B-мезона — сложной частицы, состоящей из различных кварков. Эксперимент Belle II в Японии в 2023 году зафиксировал этот распад, в результате которого был получен каон (или K-мезон) и две нейтрино. Однако информация о нейтрино ограничена, поскольку эксперимент не был настроен для их детекции.

Подтверждение существования этих редких распадов продолжает поступать. В сентябре 2024 года эксперимент NA62 в CERN зафиксировал распад положительно заряженного каона на пионы и пару частиц материи и антиматерии, вероятность которого составляет менее одного на 10 миллиардов. Это взаимодействие, воздействующее на стандартную модель, рассматривается как одно из первостепенных направлений для поиска новой физики.

По словам Бураса, «поиск новых частиц и сил, выходящих за рамки стандартной модели, является настоятельной необходимостью для объяснения темной материи, огромного диапазона масс частиц от крошечных нейтрино до массивного верхнего кварка, а также ассиметрии между материей и антиматерией, ответственной за наше существование».

Таким образом, учёные лишь начинают заглядывать в неизвестные границы зептоновой вселенной, и до тех пор, пока коллайдеры нового поколения не начнут свою работу, эти крайне редкие распады остаются нашими единственными окнами в этот таинственный мир элементарных частиц.