Столкновения высокоэнергетичных электронов и их античастиц помогут расширить и уточнить Стандартную модель.

Физики создали Стандартную модель в 70-е годы, и на сегодняшний день это самая успешная модель, описывающая элементарные частицы и все возможные взаимодействия между ними. С помощью Стандартной модели предсказали t-кварк (так же известного как истинный), тау-нейтрино и бозон Хиггса, существование которых потом подтвердили экспериментально. В то же время эта модель не является полной. Например, она не включает гравитацию и не объясняет, почему материя преобладает над антиматерией.

Эксперимент Belle II при коллайдере Японской Организации по Исследованию Высокоэнергетических Ускорителей (КЕК) в Цукубе. (Фото: KEK.)

Детектор Belle II в разрезе. (Фото: КЕК.)

Детектор Belle II на своем месте в кольце ускорителя. (Фото: КЕК.)

Физики не прекращают своих поисков того, что они зовут «новой физикой»: отклонений от предсказаний Стандартной модели, которые могли бы служить подсказками для построения более полной и правильной теории. Обычно в таких экспериментах два пучка частиц с огромной энергией сталкиваются друг с другом в специальной камере. Место столкновения окружено различными детекторами, которые отслеживают энергию, направление, массу и заряд целого фейерверка из частиц, который образуется при столкновении. Огромное количество частиц, которые живут крошечные доли секунды, распадаются дальше на более стабильные частицы. Все эти процессы регулируются законами сохранения, поэтому, зная последовательность распада, можно восстановить промежуточные частицы.

Данные с детекторов проходят через так называемую систему триггеров, которая предварительно сортирует события на интересные и не очень, после чего они поступают в систему хранения информации. Целая армия исследователей тщательно анализирует результаты наблюдения в соответствии с известными сценариями распадов частиц. Любой новый сигнал помогает выбрать наиболее вероятные поправки Стандартной Модели. Но такие распады, которые указывают на «новую физику», должны иметь существенный статистический вес – только тогда физики могут говорить об открытии. Поэтому на сбор и обработку данных могут уйти годы.

Детектор LHCb, который стоит на коллайдере LHC в европейской организации ядерных исследований CERN, увидел неожиданно высокое количество распадов, в том числе преобразования некоторых В-мезонов в электроны и в их более тяжёлых «родственников» – в мюоны и тау. Каждое из таких наблюдений по отдельности может быть всего лишь статистической флуктуацией, но взятые все вместе они указывают на какое-то явление, и потому вызывают особый интерес. Взаимодействия, в которых участвуют В-мезоны, позволяют надеяться на «новую физику», поскольку в их состав входит b-кварк (или прелестный кварк). Свойства его таковы, что он часто оказывается вовлечён в процессы с нарушением CP-чётности (инвариантности) – именно они должны объяснить преобладание материи над антиматерией в нашей Вселенной.

В феврале ускоритель Японской Организации по Изучению Высокоэнергетических Ускорителей (КЕК) в Цукубе начнёт подготовительную шестимесячную серию столкновений частиц. Глобальная цель этого эксперимента – исследовать распады В-мезонов с более высокой точностью, чем LHCb. Столкновения частиц на ускорителе Belle II будут «чище» и точнее, чем на LHCb. Разница в том, что в LHCb сталкиваются протоны, состоящие из трёх фундаментальных частиц (кварков), а Belle II будет сталкивать электроны и позитроны, то есть фундаментальные частицы, которые не могут распадаться на составные части. Так же здесь собираются исследовать распады частиц с участием таинственных нейтрино и фотонов, которые сложнее наблюдать с помощью LHCb. Физики надеются изучить и недавно открытые экзотические частицы, состоящие из четырёх или пяти кварков, известные как тетра- и пентакварки. Также Belle II будет пытаться «поймать» заряженные аналоги бозона Хиггса и аксионы – гипотетические частицы, из которых состоит тёмная материя, и которые слабо взаимодействуют с «обычной» материей.

Коллайдер, на котором установлен эксперимент Belle II, будет сжимать частицы в плотный пучок диаметром около 50 нанометров. Благодаря этому столкновения будут происходить в 40 раз чаще, чем на предыдущем ускорителе КЕК. Тем не менее, Belle II придётся сначала догнать LHCb, чей ускоритель производит больше В-мезонов и находится в строю с 2009 года. С начала следующего года количество столкновений в Belle II начнёт медленно расти, и за год должно накопиться достаточно данных, чтобы начать соревноваться с LHCb. Эксперимент LHCb в мае закроют почти до конца года, до глобального ноябрьского апгрейда, но до закрытия LHCb должен «увидеть» достаточно столкновений, чтобы либо исключить потенциальный сигнал, либо повысить его в статусе до открытия.

Физики, которые строят Belle II, конечно же, надеются догнать и перегнать LHCb. Гонка за открытием сведётся к тому, какие из распадов окажутся более «информативными». Но даже если LHCb успеет быстрее собрать данные, чтобы заявить о сигнале с достаточным статистическим весом, эксперимент Belle II обязательно должен подтвердить это наблюдение. Различие я в двух экспериментах позволит разобраться, что именно стоит за каждым новым взаимодействием, и полностью исключить возможность экспериментальной ошибки.

По материалам Nature.