Един от най-редките процеси в света на елементарните частици най-сетне започва да разкрива тайните си. След повече от четири десетилетия търсене физици от ЦЕРН са открили убедителни доказателства за разпад, който се случва едва веднъж на 10 милиарда случая. Резултатът не само потвърждава предсказанията на съвременната физика, но и може да помогне на учените да надникнат отвъд тях – към непознати частици, сили и процеси, които биха могли да обяснят някои от най-големите загадки на Вселената.

Какво се е случило в първите мигове след Големия взрив? Къде се крие тъмната материя? И защо изобщо съществува обикновената материя?

Отговорите на тези въпроси може да се крият в мащаби, толкова малки, че доскоро са били напълно недостъпни за изследване. Благодарение на все по-чувствителните ускорители на частици, сред които е Големият адронен колайдер (LHC) на ЦЕРН, учените вече могат да изучават структурата на материята с безпрецедентна точност.

Така постепенно се приближават до един почти непознат свят, наречен „зептовселена“ (zeptoverse). В него може да се крият все още неоткрити частици и сили, действащи в мащаби от порядъка на зептометъра – хиляди трилиони пъти по-малки от дебелината на човешки косъм. На това равнище квантовите процеси протичат за невъобразимо кратко време, но могат да имат последствия за развитието на целия Космос.

След повече от 40 години усилия физиците вече са на прага на тази загадъчна област. Те са открили експериментални доказателства за изключително рядък разпад на нестабилна частица, чието наблюдение доскоро изглеждаше почти непостижимо.

Разпад, който се случва веднъж на 10 милиарда случая

На семинар, проведен на 3 ноември, международният екип на LHCb обяви резултатите от своето изследване. Те са представени и в предварителна научна публикация в arXiv, която все още не е преминала независима рецензия.

Става дума за процес, който според изчисленията се наблюдава само при един на всеки 10 милиарда разпада на определена частица, съдържаща т.нар. красив кварк (beauty quark). Вероятността за подобно събитие е значително по-малка дори от шанса за печалба от лотарията.

Потенциалното откритие, както и много по-прецизното измерване на друг, вече наблюдаван сходен разпад, предоставят „мощна нова възможност за проверка на Стандартния модел и поглед към евентуална нова физика“, обяснява Ниладри Саху, физик на елементарните частици от Бирмингамския университет и координатор на работната група за много редки разпади в LHCb.

Експериментът е проведен с помощта на детектора Large Hadron Collider beauty (LHCb), разположен по протежение на огромния подземен пръстен на Големия адронен колайдер.

Учените търсят подобни редки процеси още от 80-те години на миналия век. Едва сега обаче разполагат с достатъчно усъвършенствана техника, за да ги различат сред огромния брой други събития.

Скорошна модернизация значително е подобрила възможностите на LHCb да регистрира сблъсъци между частици. Изследователите използват и методи за машинно обучение, които им позволяват да отделят търсения сигнал от фоновия шум – една от основните пречки пред предишните опити за наблюдение.

Сред най-важните инструменти на LHCb е изключително прецизният поддетектор VELO (Vertex Locator), разположен на разстояние, по-малко от ширината на човешки пръст, от снопа частици.

Благодарение на тази близост той може да проследява с изключителна точност множеството екзотични частици, които възникват при сблъсъците със скорости, близки до светлинната.

Схема на Големия адронен колайдер и неговите компоненти, включително LHCb. Източник: CERN.

Какво точно са открили физиците?

Големият пробив е свързан с възможното наблюдение на разпада на частица, известна като Bd мезон, при който се образуват мюон и антимюон.

Този мезон е изграден от две необичайни частици – красив кварк (beauty quark) и долен антикварк (down antiquark).

Кварките са шест вида, които физиците наричат „аромати“. Два от тях – горният (up) и долният (down) кварк – се свързват по три, за да образуват протоните и неутроните.

Останалите разновидности са далеч по-екзотични, но изключително важни за разбирането на някои от най-големите загадки на Вселената.

Смята се например, че красивите кварки са били широко разпространени в горещата и плътна среда на ранната Вселена, вероятно когато от Големия взрив е изминала едва една стотна от милиардната част на секундата.

Днес обаче те не се срещат естествено като свободни, дълготрайни частици.

Как тогава учените са успели да се сдобият с красив кварк, за да образуват необходимия мезон и да изследват неговия разпад?

Просто са го създали сами.

Как се създават частици от ранната Вселена?

За целта изследователите сблъскват протони със скорости, близки до светлинната. При тези сблъсъци за части от секундата възниква цял поток от частици, включително множество красиви кварки и долни антикварки.

Те обаче не остават самостоятелни. Под въздействието на силното ядрено взаимодействие почти мигновено се свързват помежду си. Същата фундаментална сила удържа кварките заедно в протоните и неутроните.

Получените мезони съществуват невероятно кратко – около една и половина трилионни части от секундата, след което се разпадат.

Но само един на всеки 10 милиарда подобни разпада протича по начина, който учените се опитват да наблюдават: образуват се мюон и антимюон, като енергията на първоначалната частица се преобразува в съответствие със закона за запазване на енергията.

Самите мюони също са нестабилни. Те съществуват средно около две милионни части от секундата, преди да се разпаднат на други частици. В зависимост от заряда на мюона сред продуктите на разпада може да има електрон или позитрон.

Напречен разрез на детектора LHCb, показващ неговото устройство, включително поддетектора VELO (Vertex Locator). Източник: CERN.

Колко убедителни са доказателствата?

Във физиката на елементарните частици необичайният сигнал сам по себе си не е достатъчен, за да бъде обявено откритие. Учените трябва да са сигурни, че наблюдаваното явление не е просто резултат от случайно статистическо отклонение.

За да се говори за доказателства за дадено явление, обикновено се изисква статистическа значимост от поне три стандартни отклонения, или „3 сигма“. Това означава, че ако търсеният сигнал в действителност не съществува, вероятността случайните колебания в данните да доведат до подобен или по-краен резултат е приблизително 0,3%.

Новите данни, събрани от LHCb през 2024 и 2025 г., са обединени с резултатите от предишни наблюдения, проведени между 2011 и 2018 г.

Така изследователите достигат статистическа значимост от 3,2 сигма, която надхвърля необходимия праг за наличие на доказателства.

Това обаче все още не е достатъчно, за да бъде откритието обявено за окончателно потвърдено.

За целта трябва да бъде достигнат т.нар. златен стандарт от 5 сигма. Това ще изисква допълнителни експерименти и натрупването на още по-голямо количество данни.

Планираните модернизации през 30-те години на XXI век ще позволят да се увеличи броят на сблъсъците в Големия адронен колайдер и да се ускори приблизително десетократно събирането на данни.

Какво означава това за представите ни за Вселената?

В научната си публикация изследователите обобщават:

„Всички резултати са в съответствие с предсказанията на Стандартния модел и поставят ограничения върху приноса на нова физика при енергийни мащаби, които надхвърлят възможностите за пряко създаване на частици в LHC.“

С други думи, наблюденията засега не противоречат на Стандартния модел – теорията, която описва известните елементарни частици и взаимодействията между тях.

Макар да обяснява огромна част от наблюдаваните явления във Вселената, този модел все още не дава отговор на някои фундаментални въпроси.

Сред тях са природата на тъмната материя и причината за лекото неравновесие между материята и антиматерията в ранния Космос.

Именно това неравновесие е позволило на част от материята да оцелее, вместо материята и антиматерията напълно да се унищожат взаимно, превръщайки се в енергия след Големия взрив.

Загадката продължава да занимава физиците. Както вече писахме в „Обекти“, една от възможните хипотези свързва съществуването на материята с особен вид тежко стерилно неутрино, което би могло да е повлияло върху развитието на ранната Вселена.

Изучаването на античастиците също е важна стъпка към разрешаването на този проблем. През 2024 г. например учени успяха да създадат в ускорител най-тежкото ядро от антиматерия, наблюдавано дотогава.

Новите резултати от LHCb подсказват и нещо друго: за да открием непознати закони на физиката, невинаги е необходимо да създаваме и наблюдаваме нови частици.

Понякога следите от неизвестни частици и взаимодействия може да се проявят косвено – например чрез необичайни отклонения в честотата, с която се разпадат вече познати частици.

Подобен подход е изиграл важна роля и при изследванията, предшествали откриването на очарователния кварк (charm quark) и върховия кварк (top quark).

Последният е най-тежкият от всички известни кварки. Неговата маса е приблизително съпоставима с масата на цял атом злато.

На прага на зептовселената

„Да видим за първи път ясни доказателства за този изключително рядък разпад беше невероятно вълнуващо“, споделя Хари Клиф, физик на елементарните частици от Кеймбриджкия университет и ръководител на екипа, извършил анализа.

„Сега вече чукаме на вратата на зептовселената. Нямам търпение да разбера какво ще открием, когато навлезем още по-дълбоко.“

Предварителната версия на научното изследване е достъпна в arXiv.