Физики из международной коллаборации LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК) получили первые убедительные свидетельства чрезвычайно редкого распада нейтрального B⁰-мезона на пару мюонов. Вероятность такого события составляет 1 случай на 10 млрд распадов этой частицы. Поиск продолжался с 1984 года, но только теперь чувствительности эксперимента хватило, чтобы получить статистически значимый избыток таких событий над ожидаемым фоном. В новых данных значимость результата составила 3,0 стандартного отклонения, а после объединения с предыдущими измерениями LHCb достигла 3,2.
B⁰-мезон — нестабильная элементарная частица, содержащая b-кварк, один из тяжёлых кварков. При распаде, о котором идёт речь, он превращается в два мюона — частицы, похожие на электроны, но в 207 раз тяжелее. Они относятся к семейству лептонов и оставляют характерные следы в детекторе, что позволяет физикам выделять их среди продуктов других столкновений. Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает вероятность такого распада на уровне 1,03 случая на 10 млрд. В новом анализе LHCb получил значение 1,26 случая на 10 млрд с большой статистической неопределённостью.
Особенность этого процесса заключается в том, что он относится к редким переходам с изменением аромата кварка без непосредственного участия заряженного слабого тока. Такие процессы не происходят напрямую на уровне одного элементарного взаимодействия, а реализуются через квантовые петлевые процессы с участием тяжёлых частиц, включая W-бозоны и t-кварки. Это делает их крайне маловероятными, но одновременно превращает в чувствительный инструмент поиска неизвестной физики. Если в таких квантовых процессах участвуют ещё не открытые частицы, то они могут изменить вероятность распада даже в том случае, когда энергии ускорителя недостаточно для их непосредственного рождения. По оценкам авторов исследования, подобные измерения позволяют проверять новые физические взаимодействия на энергетических масштабах до 100 ТэВ — значительно выше энергии прямых столкновений частиц на БАК.
Источник изображения: CERN
История поиска началась в 1984 году: тогда эксперимент CLEO впервые установил верхнюю границу вероятности распада B⁰-мезона на два мюона. В последующие десятилетия физики неоднократно возвращались к этой задаче. Предыдущие поиски не позволили подтвердить распад, а наиболее строгий экспериментальный предел перед новой работой составлял 1,6 случая на 10 млрд. Теперь же коллаборация LHCb получила первые свидетельства этого процесса в рамках одного эксперимента. При этом результат ещё не считается окончательным открытием: статистическая значимость 3,2 стандартного отклонения указывает на свидетельство существования распада, но не позволяет исключить случайную флуктуацию данных с требуемой для открытия надёжностью.
Для анализа учёные использовали данные третьего сеанса работы БАК (Run 3), собранные в 2024–2025 годах при энергии столкновений 13,6 ТэВ в системе центра масс. Общий объём данных соответствует интегральной светимости 18 обратных фемтобарн: это величина, характеризующая накопленное количество столкновений и позволяющая оценить, сколько редких событий мог зарегистрировать эксперимент. Важную роль сыграл модернизированный детектор LHCb Upgrade I, впервые использованный для анализа распадов B-мезонов на два мюона. Его обновлённая система регистрации частиц рассчитана на работу при более высокой интенсивности столкновений: допустимая мгновенная светимость выросла в 5 раз по сравнению с прежним детектором. Вместо аппаратного первого уровня отбора событий теперь используется полностью программная система, а усовершенствованные детекторы треков и мюонов помогают точнее определять тип частиц и отсеивать фон.
Чтобы выделить редкие распады среди колоссального количества других событий, команда применила алгоритм машинного обучения — градиентный классификатор на основе деревьев решений (BDT). Он анализирует характеристики траекторий частиц, точки их рождения и распада, а также окружение кандидатов на распад. В частности, настоящий B-мезон, распавшийся на два мюона, обычно оказывается более изолированным от других частиц, чем случайные комбинации мюонов, возникающие в результате фоновых процессов. Дополнительно учёные разделили события на 5 категорий по качеству классификации и одновременно анализировали распределения инвариантной массы пар мюонов. Такой подход позволил повысить чувствительность к сигналу, который в противном случае практически терялся бы на фоне других распадов.
Параллельно физики измерили характеристики родственного, но более распространённого распада Bₛ⁰-мезона на два мюона. Его вероятность составила 3,31 случая на 1 млрд против предсказанных Стандартной моделью 3,66 случая на 1 млрд. Объединение новых данных с результатами предыдущих сеансов работы ускорителя дало значение 3,25 случая на 1 млрд. Это наиболее точное на сегодняшний день измерение вероятности данного распада в рамках одного эксперимента. Учёные также определили его эффективное время жизни — величину, характеризующую распределение времени между рождением мезона и его распадом. В новых данных она составила 1,42 пикосекунды, а с учётом предыдущих измерений — 1,60 пикосекунды.
Измерение времени жизни особенно важно, поскольку оно позволяет искать отклонения от Стандартной модели, которые могут остаться незаметными при сравнении только вероятностей распада. Bₛ⁰-мезон существует в виде двух состояний с немного различающимися массами и временами жизни. В рамках Стандартной модели распад на два мюона преимущественно связан с более долгоживущим состоянием. Новые физические взаимодействия, например связанные с дополнительными скалярными бозонами Хиггса, тяжёлыми нейтральными векторными бозонами Z′ или лептокварками, способны изменить соотношение вкладов этих состояний и тем самым повлиять на измеряемое время жизни. Поэтому одновременное измерение вероятности распада и времени жизни даёт физикам два независимых способа искать возможные отклонения.
Несмотря на многолетние поиски и получение первых свидетельств распада B⁰-мезона на два мюона, все новые измерения согласуются с предсказаниями Стандартной модели. Это не означает, что поиск неизвестных частиц завершён: напротив, высокая точность измерений позволяет ограничивать свойства гипотетических взаимодействий, которые невозможно непосредственно проверить на ускорителе. Для LHCb результат одновременно стал первой проверкой распадов B-мезонов на два мюона с помощью модернизированного детектора Upgrade I и продемонстрировал, насколько далеко эксперимент продвинулся в изучении процессов, вероятность которых составляет всего несколько случаев на миллиарды распадов.
