Ученые выдвинули гипотезу о существовании нового вида субатомных частиц, объясняющих загадочный распад другой частицы. Стандартная модель физики не смогла объяснить этот распад.
Каон — это разновидность мезона, образованного одним кварком и одним антикварком. Все они относятся к семейству адронов. В редчайших случаях при распаде каонов происходит превращение, которое ученые пока не могут объяснить.
Для изучения подобных редких распадов каонов ученые проводят эксперимент KOTO в Японии на комплексе J-PARC. Способ распада каонов, который описан в статье, опубликованной в 2020 году в Physical Review Letters, так редок, что ученые пока не уверены, удастся ли его зарегистрировать. Исследователей интересовал процесс, когда нейтральный каон распадается на нейтральный пион и пару нейтрино–антинейтрино.
Если этот распад каона подтвердится, он станет открытием чего-то нового в физике. В ранних измерениях эксперимента KOTO модель предсказывала, что в выборке ученые увидят менее четверти одного случая такого распада. Тогда они обнаружили четыре распада, что в разы больше ожидаемого.
Ученые отмечали, что если распад действительно происходил в таких количествах, исследователям понадобится физика за пределами Стандартной модели, чтобы объяснить такой сильный сигнал.
В публикации ученые рассматривали несколько возможных объяснений полученного результата. Один из вариантов — новая тяжелая физика, которая усиливает сигнал, предсказанный Стандартной моделью. Еще одно объяснение —появление новой легкой частицы с долгим временем жизни. Другая интерпретация предлагает пересмотреть всю картину сигнала как процесс образования новой легкой долгоживущей частицы на фиксированной мишени.
Само обнаружение столь большого числа редких «случайных» распадов указывало на необычное явление. Ученые хотели понять, почему это произошло. Они не исключали вариант, что это просто «шум» — случайные помехи или ошибки измерений. Приборы, измеряющие субатомные частицы часто не видят саму частицу напрямую, а лишь ее косвенные проявления.
Косвенные измерения могут давать не совсем точные результаты, так как сами частицы крайне малы. При следующих исследованиях ученые должны исключить влияние «шума». По словам одного из авторов исследования Кохсаку Тобиока, такой уровень шума, даже если это именно шум, — был бы необычным. Он пояснил, что при такой низкой вероятности шума даже одно событие выглядело бы впечатляюще, а здесь наблюдались сразу четыре.
В феврале 2025 года ученые опубликовали новую статью в журнале Physical Review Letters, в которой представили результаты эксперимента KOTO. С помощью новых детекторов и методов они смогли сильно снизить шумы. В эксперименте исследователи не нашли ни одного распада. Это означает, что если такой распад есть, он случается очень редко. Ученые установили верхнюю границу вероятности распада: не больше 2,2 на миллиард каонов.
В 2024 году ученые из Европейской организации по ядерным исследованиям обнаружили еще один крайне редкий вариант распада частиц, когда заряженный каон распался на заряженный пион и пару «нейтрино — антинейтрино». Исследователи рассчитывают в ближайшие годы подтвердить или опровергнуть наличие новой физики в этом распаде.
Ученые продолжают исследования редких распадов каонов. С 8 по 12 сентября в Университете Иоганна Гутенберга в Майнце (Johannes Gutenberg Univeristy Mainz)(Германия) прошла XIII Международная конференция по физике каонов. Физика за пределами стандартной модели была одной из тем, обсуждавшихся на конференции.