Редкий случай распада частицы, зафиксированный на Большом адронном коллайдере, может стать одним из самых убедительных свидетельств существования физики за пределами Стандартной модели.

Крайне необычная закономерность, обнаруженная при редких распадах B-мезонов, дает исследователям новый повод подозревать, что за пределами Стандартной модели может скрываться новая физика.

Новые результаты исследований, которые мы проводим на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРН в Женеве, позволяют предположить, что ученые, возможно, приближаются к открытию новых физических явлений.

Если эти данные подтвердятся, они могут поставить под сомнение Стандартную модель — теорию, которая определяла развитие физики элементарных частиц на протяжении последних 50 лет. Результаты показывают, что некоторые субатомные частицы, полученные на Большом адронном коллайдере, могут вести себя не так, как предсказывала модель.

Фундаментальные частицы — это самые простые из известных единиц материи. Их нельзя разделить на более мелкие части. Их взаимодействие определяется четырьмя фундаментальными взаимодействиями: гравитацией, электромагнетизмом, слабым и сильным взаимодействиями.

Большой адронный коллайдер — это массивный ускоритель элементарных частиц, расположенный в круглом туннеле длиной 27 километров под границей между Францией и Швейцарией. Его основная задача — проверка Стандартной модели и поиск областей, в которых теория может дать сбой.

Стандартная модель остается наиболее полным на сегодняшний день объяснением фундаментальных частиц и взаимодействий, но известно, что она не является исчерпывающей. Она не включает в себя гравитацию и не может объяснить темную материю — невидимую и до сих пор не обнаруженную форму материи, которая, как считается, составляет около 25% Вселенной.

В Большом адронном коллайдере сталкиваются пучки протонов, движущихся в противоположных направлениях, чтобы найти доказательства существования ранее неизвестных физических явлений. Новые результаты получены в ходе эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере, в рамках которого анализируются эти столкновения.

Результат получен в ходе изучения распада — своего рода трансформации — субатомных частиц, называемых B-мезонами. Мы исследовали, как эти B-мезоны распадаются на другие частицы, и обнаружили, что конкретный механизм этого процесса не соответствует предсказаниям Стандартной модели.

Теория под давлением

Стандартная модель построена на двух самых революционных достижениях физики XX века: квантовой механике и специальной теории относительности Эйнштейна.

Физики могут сравнивать результаты измерений, полученных на таких установках, как Большой адронный коллайдер, с предсказаниями Стандартной модели, чтобы тщательно проверить теорию.

Несмотря на то, что мы знаем о неполноте Стандартной модели, за более чем 50 лет все более тщательных проверок физики элементарных частиц так и не нашли в ней изъянов. По крайней мере, до сих пор.

Наше исследование, опубликованное в Physical Review Letters, показало, что напряженность поля на четыре стандартных отклонения превышает ожидания Стандартной модели.

В реальных условиях это означает, что с учетом погрешностей, связанных с экспериментальными результатами и теоретическими предсказаниями, вероятность того, что при корректной Стандартной модели возникнет столь экстремальная случайная флуктуация в данных, составляет всего 1 к 16 000.

Несмотря на то, что это не соответствует золотому стандарту науки — так называемому правилу пяти сигм, или пяти стандартных отклонений (вероятность примерно 1 к 1,7 миллиона), — доказательств становится все больше. К этой убедительной картине добавляются результаты независимого эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере, опубликованные ранее в 2025 году.

Хотя результаты CMS не такие точные, как результаты LHCb, они хорошо согласуются друг с другом, что подтверждает правомерность выводов. Наши новые результаты были получены в ходе исследования особого процесса, известного как электрослабый «пингвин-распад».

Редкие распады усложняют задачу

Термин «пингвин» относится к определенному типу распада (превращения) короткоживущих частиц. В данном случае мы изучаем, как B-мезон распадается на четыре другие субатомные частицы: каон, пион и два мюона.

Если дать волю воображению, можно представить, что расположение участвующих в процессе частиц напоминает пингвина. Что особенно важно, измерения этого процесса распада позволяют нам понять, как один тип фундаментальных частиц, прелестный кварк, может превращаться в другой — странный кварк.

В Стандартной модели такой «пингвиний» распад встречается крайне редко: из миллиона B-мезонов только один распадется таким образом. Мы тщательно проанализировали углы и энергии, при которых образуются эти частицы в процессе распада, и точно определили, как часто происходит этот процесс. Мы обнаружили, что наши измерения этих величин расходятся с предсказаниями Стандартной модели.

Точное изучение подобных распадов — одна из основных целей эксперимента LHCb с момента его запуска в 1994 году. «Пингвин-процессы» особенно чувствительны к воздействию потенциально очень тяжелых новых частиц, которые невозможно создать непосредственно на Большом адронном коллайдере.

Такие частицы все еще могут оказывать заметное влияние на эти распады, превышающее небольшой вклад Стандартной модели. Подобные косвенные наблюдения не новы. Например, радиоактивность была открыта за 80 лет до того, как были непосредственно обнаружены фундаментальные частицы, ответственные за нее (W-бозоны).

Новые данные позволят проверить эту аномалию

Наши исследования редких процессов позволяют нам изучать те аспекты природы, которые в противном случае стали бы доступны только благодаря коллайдерам частиц, строительство которых запланировано на 2070-е годы. Существует множество потенциальных новых теорий, которые могут объяснить наши открытия. Многие из них предполагают существование новых частиц, называемых «лептокварками», которые объединяют два разных типа материи: «лептоны» и «кварки».

Согласно другим потенциальным теориям, существуют частицы, которые являются более тяжелыми аналогами тех, что уже обнаружены в Стандартной модели. Новые результаты накладывают ограничения на форму этих моделей и помогут в их поиске в будущем.

Несмотря на воодушевление, остаются нерешенные теоретические вопросы, которые не позволяют нам с уверенностью утверждать, что мы наблюдали явления, выходящие за рамки Стандартной модели. Самый серьезный вопрос связан с так называемыми «очаровательными пингвинами» — набором процессов, присутствующих в Стандартной модели, вклад которых в наблюдаемые явления крайне сложно предсказать. Согласно последним оценкам, влияние этих «очаровательных пингвинов» недостаточно велико, чтобы объяснить наши данные.

Кроме того, сочетание теоретической модели и экспериментальных данных, полученных с помощью LHCb, позволяет предположить, что очаровательные пингвины (а значит, и Стандартная модель) с трудом объясняют аномальные результаты.

Новые данные, которые уже собраны, позволят нам подтвердить эту гипотезу в ближайшие годы: в рамках нашей текущей работы мы изучили около 650 миллиардов распадов B-мезонов, зафиксированных в период с 2011 по 2018 год, чтобы найти эти «пингвиньи» распады. С тех пор в эксперименте LHCb было зарегистрировано в три раза больше B-мезонов.

На 2030-е годы запланированы дальнейшие усовершенствования, которые позволят использовать будущие обновления Большого адронного коллайдера и собрать в 15 раз больше данных. Этот важнейший шаг позволит сделать окончательные выводы и, возможно, по-новому взглянуть на то, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне.

Reference: “A comprehensive analysis of the 𝐵0→𝐾*0⁢𝜇+⁢𝜇−decay” by LHCb collaboration, 19 December 2025, arXiv.
DOI: 10.48550/arXiv.2512.18053