Физикам удалось зарегистрировать 17 редких распадов каона на пион и пару нейтрино-антинейтрино в рамках эксперимента NA62 в CERN. Полученное значение вероятности этого канала распада в пределах погрешности сходится с точным предсказанием Стандартной модели и накладывает сильные ограничения на поиск теорий за ее пределами.

О новом результате ученые рассказали на онлайн-конференции ICHEP 2020, пресс-релиз опубликован на сайте CERN.

В физике элементарных частиц Стандартная модель является главной теорией, которая чрезвычайно точно описывает большую часть наблюдаемых явлений. Тем не менее, за время ее существования физики обнаружили множество указаний на неполноту этой теории. В Стандартной модели нет места темной материи и темной энергии, без существования которых научное сообщество не в состоянии объяснить аномально быструю скорость вращения периферических областей галактик и ускоренное расширение вселенной. Существенным отклонением от Стандартной модели оказалось и нарушение CP-симметрии в распаде К-мезона с участием электрослабого взаимодействия, открытое еще в 1961 году.

К-мезоны — это семейство из четырех короткоживущих частиц, состоящих из двух кварков и содержащий один странный кварк или антикварк, а К⁺ — положительно заряженный мезон из этой группы. У этой частицы большое количество разных каналов распада, однако особый интерес представляет распад К⁺ на положительно заряженный пи-мезон, нейтрино и антинейтрино. С одной стороны, он чрезвычайно редок: на 10 миллиардов всевозможных распадов положительно заряженного К-мезона приходится лишь один такой распад. С другой стороны, его вероятность очень точно предсказывается Стандартной моделью, погрешность которой в определении вероятности данного канала не превышает 10 процентов. Все это делает такой распад К⁺-мезона очень привлекательным для поиска в нем отклонений от теоретических предсказаний, которые могли бы проложить путь для Новой физики за пределами Стандартной модели.

Именно поиск точного значения вероятности канала распада К⁺ на положительно заряженный пи-мезон, нейтрино и антинейтрино и является главной задачей коллаборации NA62 в CERN. В этом эксперименте каоны рождаются в столкновении с бериллиевой мишенью пучка протонов, предварительно ускоренных до энергии 450 гигаэлектронвольт на Протонном суперсинхротроне (SPS). В область детектирования летит положительно заряженный пучок, на 70 процентов состоящий из π⁺, на 23 процента из протонов и лишь на 6 процентов из интересующих экспериментаторов К⁺.

С помощью детектирующей установки с общей длиной 270 метров физики сначала отслеживают число каонов, рожденных в столкновениях протонов с мишенью, после чего с использованием системы триггеров отбирают распады каонов, необходимые для вычисления фона и поиска искомого канала распада на положительно заряженный пи-мезон, нейтрино и антинейтрино. Особая сложность поиска этого распада обусловлена и тем, что нейтрино не оставляют следов в экспериментальной установке, из-за чего их присутствие в распаде приходится обнаруживать косвенно: через углы и скорости полета исходных К⁺ и рожденных π⁺.

История эволюции верхних пределов (черные треугольники) и теоретических предсказаний (красные прямоугольники), а также экспериментальных значений (синие точки) вероятности распада положительно заряженного каона на положительный пион и нейтрино с антинейтрино. / NA62 / CERN

Эксперимент начал накапливать данные еще в 2016 году, после чего коллаборация NA62 заявила о первой регистрации искомого распада К⁺ на новой установке. В результате анализа данных, полученных в 2017 году, CERN опубликовал препринт, в котором сообщается о выявлении двух новых событий-кандидатов на искомый канал распада. Уже тогда физикам удалось достигнуть рекордной чувствительности в регистрации данного распада, однако данные 2018 года говорят о значительном увеличении числа зарегистрированных событий. Ученым удалось зарегистрировать еще 17 распадов каона на пион, нейтрино и антинейтрино, что вместе с предыдущими результатами позволяет коллаборации заявить о первой регистрации этого ультра-редкого распада со статистической точностью в 3,5σ. Всего за время работы эксперимента физики обработали более 6×10¹² всевозможных распадов каонов.

Так ученые смогли вычислить вероятность искомого распада каона с погрешностью в 35 процентов, что в пределах неточностей эксперимента совпало с предсказанным теорией значением в (8,4±1,0)×10^-11. Это существенно ограничивает просторы для поиска в этом распаде следов Новой физики за пределами Стандартной модели, однако повышение чувствительности установки и дальнейшее накопление данных все еще может привести к существенным расхождениям между экспериментом и теорией.

После следующего запуска SPS коллаборация NA62 планирует продолжить собирать данные в 2021–2024 годах, что потенциально позволит снизить погрешность вычисляемой вероятности распада до 10 процентов, повысить статистическую точность его регистрации до 5σ и тем самым приблизиться к границе применимости Стандартной модели.