Фізикам вдалося зареєструвати 17 рідкісних розпадів каону на піон і пару нейтрино-антинейтрино в рамках експерименту NA62 в CERN. Отримане значення ймовірності цього каналу розпаду в межах похибки сходиться з точним передбаченням Стандартної моделі і накладає сильні обмеження на пошук теорій за її межами. Про новий результат вчені розповіли на онлайн-конференції ICHEP 2020, прес-реліз опублікований на сайті CERN.
У фізиці елементарних частинок Стандартна модель є головною теорією, яка надзвичайно точно описує більшу частину спостережуваних явищ. Тим не менш, за час її існування фізики виявили безліч вказівок на неповноту цієї теорії. У Стандартній моделі немає місця темній матерії і темної енергії, без існування яких наукове співтовариство не в змозі пояснити аномально швидку швидкість обертання периферичних областей галактик і прискорене розширення всесвіту. Істотним відхиленням від Стандартної моделі виявилося і порушення CP-симетрії в розпаді К-мезону за участю електрослабої взаємодії, відкрите ще в 1964 році.
К-мезони - це сімейство з чотирьох короткоживучих частинок, що складаються з двох кварків і містять один дивний кварк або антикварк, а К + - позитивно заряджений мезон з цієї групи. У цієї частинки велика кількість різних каналів розпаду, однак особливий інтерес становить розпад К + на позитивно заряджений пі-мезон, нейтрино і антинейтрино. З одного боку, він надзвичайно рідкісний: на 10 мільярдів всіляких розпадів позитивно зарядженого К-мезону припадає лише один такий розпад. З іншого боку, його ймовірність дуже точно передбачається Стандартною моделлю, похибка якої у визначенні ймовірності даного каналу не перевищує 10 відсотків. Все це робить такий розпад К + -мезону дуже привабливим для пошуку в ньому відхилень від теоретичних передбачень, які могли б прокласти шлях для Нової фізики за межами Стандартної моделі.
Саме пошук точного значення ймовірності каналу розпаду К + на позитивно заряджений пі-мезон, нейтрино і антинейтрино і є головним завданням колаборації NA62 в CERN. У цьому експерименті каони народжуються в зіткненні з берилієвою мішенню пучка протонів, попередньо прискорених до енергії 450 гігаелектронвольт на Протонному суперсинхротроні (SPS). У область детектування летить позитивно заряджений пучок, що на 70 відсотків складається з ^ +, на 23 відсотки з протонів і лише на 6 відсотків з цікавих експериментаторів К +. За допомогою детектуючої установки із загальною довжиною 270 метрів фізики спочатку відстежують число кайонів, народжених у зіткненнях протонів з мішенню, після чого з використанням системи тригерів відбирають розпади кайонів, необхідні для обчислення фону і пошуку шуканого каналу розпаду на позитивно заряджений пі-мезон, нейтрино і антинейтрино. Особлива складність пошуку цього розпаду обумовлена і тим, що нейтрино не залишають слідів в експериментальній установці, через що їх присутність в розпаді доводиться виявляти побічно: через кути і швидкості польоту вихідних К + і народжених ^ +.
Експеримент почав накопичувати дані ще в 2016 році, після чого колаборація NA62 заявила про першу реєстрацію шуканого розпаду К + на новій установці. В результаті аналізу даних, отриманих в 2017 році, CERN опублікував препринт, в якому повідомляється про виявлення двох нових подій-кандидатів на шуканий канал розпаду. Вже тоді фізикам вдалося досягти рекордної чутливості в реєстрації даного розпаду, проте дані 2018 року говорять про значне збільшення числа зареєстрованих подій. Вченим вдалося зареєструвати ще 17 розпадів каону на піон, нейтрино і антинейтрино, що разом з попередніми результатами дозволяє колаборації заявити про першу реєстрацію цього ультра-рідкісного розпаду зі статистичною точністю 3,5º. Всього за час роботи експерименту фізики обробили понад 6 доль 1012 всіляких розпадів каонів.
Так вчені змогли вирахувати ймовірність шуканого розпаду каону з похибкою в 35 відсотків, що в межах неточностей експерименту збіглося з передбаченим теорією значенням в (8,4 ст.11,0) − 10-11. Це суттєво обмежує простори для пошуку в цьому розпаді слідів Нової фізики за межами Стандартної моделі, однак підвищення чутливості установки і подальше накопичення даних все ще може призвести до істотних розбіжностей між експериментом і теорією. Після наступного запуску SPS колаборація NA62 планує продовжити збирати дані в 2021-2024 роках, що потенційно дозволить знизити похибку обчислюваної ймовірності розпаду до 10 відсотків, підвищити статистичну точність його реєстрації до 5º і тим самим наблизитися до кордону застосовності Стандартної моделі.
Раніше ми вже писали про те, як рідкісні розпади D-мезонів дозволяють перевірити на міцність передбачення Стандартної моделі. Про те, як наукова спільнота йшла до створення цієї всеосяжної теорії, можна почитати в матеріалі «Вісімковий шлях Всесвіту».