Учёные Европейской организации ядерных исследований (CERN) представили весомые доказательства крайне редкого распада элементарной частицы, вероятность которого составляет примерно один случай на десять миллиардов. Этот процесс являлся целью поисков с 1984 года. Благодаря усовершенствованию детектора LHCb и обработке обширного массива данных о столкновениях протонов, исследователям удалось зафиксировать признаки трансформации нейтрального B-мезона в два более лёгких элементарных объекта – мюон и антимюон. Полученные данные открывают перспективы для проверки базовых принципов физики и выявления новых частиц.

О получении результатов 3 ноября 2026 года заявила международная группа исследователей LHCb, в состав которой вошли специалисты из Манчестерского университета и других научных центров. Анализ данных о столкновениях протонов, собранных в период с 2024 по 2025 год на Большом адронном коллайдере, позволил установить статистическую значимость обнаруженного сигнала на уровне 3,2 сигма после объединения текущих результатов с предыдущими измерениями. Данного уровня достаточно для признания наличия процесса, однако его официальное подтверждение как открытия требует достижения порога в пять сигма, что является стандартом в физике элементарных частиц.

В ходе исследования рассматривался нейтральный B-мезон, также известный как Bd-мезон. Эта нестабильная частица содержит тяжёлый b-кварк и существует около полутора триллионных долей секунды, прежде чем произойдёт её распад. В исключительно редких случаях продуктами этого распада являются два мюона с противоположными электрическими зарядами. Мюоны по своим свойствам напоминают электроны, но имеют значительно большую массу – примерно в 207 раз.

В соответствии с положениями Стандартной модели физики элементарных частиц, вероятность подобного превращения оценивается как одна десятимиллиардная доля. Именно это обстоятельство делает обнаружение процесса крайне сложной задачей: необходимо отделить несколько событий с характерными признаками из огромного количества обычных распадов. Ранее совместный анализ данных экспериментов LHCb и CMS указывал на возможность существования данного распада, однако последующие измерения не смогли подтвердить первоначальные выводы.

После проведения масштабной модернизации установки LHCb обстановка претерпела существенные изменения. Новая конфигурация позволяет осуществлять сбор данных приблизительно в пять раз быстрее, чем раньше, и с большей точностью выявлять параметры частиц, образующихся при столкновениях. Важнейшим элементом комплекса стал кремниевый пиксельный детектор Vertex Locator (VELO), расположенный всего в пяти миллиметрах от пучков протонов. Этот компонент обеспечивает высокую точность восстановления траекторий частиц и определения точек их зарождения и распада.

Значительный вклад внесли алгоритмы машинного обучения, которые позволили выделить редкие события на фоне большого количества фоновых сигналов. Анализ данных, полученных в период с 2024 по 2025 год, показал статистическую значимость в 3 сигма. После включения измерений, сделанных в период с 2011 по 2018 год, этот показатель возрос до 3,2 сигма. Это является первым убедительным подтверждением подобного распада, полученным в рамках одного эксперимента.

Внимание физиков привлечено тем фактом, что нечастые распады демонстрируют повышенную восприимчивость к воздействию пока еще неизвестных элементарных частиц. При этом, даже если эти частицы обладают слишком большой массой для прямого создания в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере, их присутствие может указывать о себе через незначительные отклонения от ожидаемой частоты распадов. Данные исследования открывают возможность косвенного изучения явлений, происходящих на исключительно малых расстояниях, которые ученые иногда обозначают термином «зептомир». Следует отметить, что один зептометр равен 10⁻²¹ метра, или одной миллиардной триллионной части метра.

На текущий момент полученные результаты соответствуют прогнозам Стандартной модели и не содержат указаний на наличие новых частиц или взаимодействий. Одновременно исследователи уточнили параметры другого редкого процесса – распада Bs-мезона на два мюона, который был впервые зафиксирован в 2015 году. Новые измерения вероятности и времени жизни этого распада стали наиболее точными среди результатов отдельных экспериментов и позволили дополнительно ограничить потенциальные отклонения от существующей теории.

В последующие годы LHCb продолжит сбор данных для повышения статистической достоверности сигнала. Запуск модернизированного Большого адронного коллайдера с повышенной светимостью намечен на 2030 год, а в середине следующего десятилетия предполагается дальнейшая модернизация детектора LHCb. Это может увеличить скорость сбора информации ещё примерно на порядок и обеспечить более детальное изучение наиболее редких превращений элементарных частиц.

Исследование опубликовано в виде препринта на arXiv.