Коллаборация LHCb впервые наблюдала сверхредкий распад бариона

Изображение события, реконструирующего распад Σ⁺→ p μ⁺μ⁻ в детекторе LHCb. Видны треки частиц, искривленные магнитным полем детектора. Предоставлено: коллаборация LHCb.

Барионы — составные частицы из трех кварков, связанных сильным взаимодействием, — составляют основу видимой материи и являются объектом многочисленных физических исследований. Изучение редких процессов распада нестабильных барионов на другие частицы может способствовать открытию новой физики, не объясняемой Стандартной моделью.

Эксперимент LHCb — это масштабное исследование с участием ученых со всего мира, направленное на изучение физики частиц, содержащих b-кварки, и поиск новой физики за пределами Стандартной модели. В недавней статье, опубликованной в Physical Review Letters, коллаборация LHCb сообщила о наблюдении сверхредкого процесса распада бариона сигма-плюс (Σ⁺) на протон и два мюона с противоположными зарядами.

«Мотивацией для нашего исследования изначально послужили измерения эксперимента HyperCP в Fermilab, где в 2005 году были зафиксированы три подобных распада», — рассказал Phys.org Франческо Деттори, профессор Университета Кальяри и член коллаборации LHCb.

«Интерес к их измерению заключается в том, что у трех кандидатов пара мюонов имела одинаковую суммарную массу, а не распределение, как ожидалось. Это могло бы указывать на присутствие промежуточной частицы, никогда ранее не виданной и находящейся за пределами текущего понимания физики частиц (известной как Стандартная модель)».

Результаты, полученные в Fermilab 20 лет назад, привлекли внимание физиков по всему миру, некоторые из которых предложили возможные объяснения наблюдаемого процесса распада (Σ⁺→pμ⁺μ⁻), основанные на теориях за пределами Стандартной модели. Другие эксперименты, фокусировавшиеся на димюонных парах, не смогли наблюдать этот сверхредкий распад, но благодаря своему масштабу и возможностям эксперимент LHCb имел все необходимые инструменты для его поиска.

«Мы проанализировали данные, собранные в 2016–2018 годах в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере», — сообщил Габриэле Мартелли, научный сотрудник INFN в Перудже. «Барион Σ⁺ лишь немного тяжелее протона, поэтому в этих высокоэнергетических столкновениях почти каждое столкновение также производит одну из этих частиц. В частности, мы оценили, что за этот период в эксперименте было произведено 10¹⁴ (сто триллионов) Σ-барионов».

Очень редкий распад, который искала команда, имеет отличительную сигнатуру, поскольку Σ-барион относительно долгоживущий. Коллаборация LHCb искала вершину распада на расстоянии до десятков сантиметров от точки протон-протонного взаимодействия.

«В то же время два мюона и протон, будучи заряженными, видны нашими детекторами и идентифицируются на разных этапах распознавания частиц», — пояснил Мартелли. «Хотя сигнатуру легко реконструировать, нам приходилось бороться с большим количеством случайных комбинаций, которые могли имитировать этот распад, и мы использовали методы машинного обучения для их отсева».

В конечном итоге исследователям удалось наблюдать распад Σ⁺→pμ⁺μ⁻, который является самым редким из всех изученных на сегодняшний день распадов барионов. Это выдающееся научное достижение, демонстрирующее чувствительность детектора LHCb в ЦЕРНе.

«Наблюдение сотен таких распадов дало нам возможность точно измерить его вероятность и другие свойства и сравнить их с предсказаниями Стандартной модели», — сказал Деттори. «Исторически редкие распады были тем местом, где частицы обнаруживались через их квантовые эффекты задолго до того, как ускорители получали энергию для их прямого производства. Наиболее notable случай — «очарованный кварк», открытый для объяснения распада, который оказался более редким, чем предсказывалось».

Эксперимент LHCb уже помог улучшить понимание различных явлений физики частиц, объясняемых Стандартной моделью. По мере дальнейшего повышения точности и чувствительности детектора исследователи смогут получить доступ ко все более редким процессам распада, что, в свою очередь, может привести к наблюдению новых частиц и физических взаимодействий.

«Используя данные, собранные с 2023 года на модернизированном детекторе LHCb, мы сможем измерить тысячи этих распадов и исследовать не только их вероятность, но и другие характеристики», — добавил Мартелли. «Следующее свойство, которое мы хотим изучить, — это разница между материей и антиматерией (известная как нарушение CP-симметрии) в этом распаде, путем сравнения распадов Σ с распадами анти-Σ. Измерение этой CP-симметрии во многих распадах фундаментально для поиска ключей к разгадке дисбаланса материи/антиматерии во Вселенной».

Больше информации: R. Aaij et al, Observation of the Very Rare Σ⁺→pμ⁺μ⁻ Decay, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/r3v2-kmmp.