Стандартная модель описывает фундаментальные частицы — базовые строительные блоки материи — и четыре основные силы природы: гравитацию, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Несмотря на полвека успешных проверок, физики знают, что эта теория неполная: она не объясняет гравитацию и существование темной материи. Большой адронный коллайдер (БАК), гигантский ускоритель частиц в 27-километровом туннеле под франко-швейцарской границей, создан для поиска брешей в этой теории.
На этот раз физики получили неожиданные результаты в ходе эксперимента LHCb, который специализируется на изучении частиц, содержащих так называемый «красивый» (beauty, b) кварк. Ученые проанализировали распады короткоживущих частиц B-мезонов — состоящих из b-кварка и его «компаньона». В центре внимания оказались крайне редкие процессы с забавным названием «пингвин-распады».
В таком распаде один B-мезон превращается в четыре другие частицы: каон, пион и две более тяжелые «сестры электрона» — мюоны. По форме диаграмм взаимодействия этот процесс когда-то сравнили с силуэтом пингвина — отсюда и необычное название распада. В среднем лишь один из миллиона B-мезонов распадается таким образом, но именно такая редкость делает процесс чувствительным к возможному влиянию пока что неизвестных науке тяжелых частиц.
Проанализировав углы вылета и энергии продуктов распада, а также частоту таких событий, физики обнаружили расхождение с предсказаниями Стандартной модели величиной в четыре стандартных отклонения. Это означает, что вероятность объяснить наблюдаемые результаты простой статистической флуктуацией, если теория полностью верна, составляет примерно один шанс из 16 тысяч.
Для того, чтобы официально считать результаты эксперимента «открытием» в физике принята более жесткая планка — пять стандартных отклонений (порядка одного шанса из 1,7 миллиона). Тем не менее к новым данным LHCb присоединились и менее точные, но согласующиеся с ними результаты независимого эксперимента CMS, опубликованные в 2025 году. Вместе они усиливают подозрение, что в необычных распадах играют роль неизвестные частицы.
Многие теоретические модели, способные объяснить наблюдаемое, предполагают существование частиц-«лептокварков», которые связывают две большие семьи материи — лептоны (к ним относятся, например, электрон и мюон) и кварки. Другие модели вводят более тяжелые аналоги уже известных ученым частиц. Новые измерения позволяют сузить круг допустимых вариантов и подсказать направление будущих поисков.
Полностью исключить «внутренние резервы» самой Стандартной модели пока нельзя. Серьезным источником неопределенности остаются процессы с участием так называемых «очарованных кварков», или c-кварков, вклад которых трудно точно проанализировать. Однако недавние оценки показывают, что их влияние, скорее всего, недостаточно велико, чтобы объяснить аномалию.
Выводы основаны на анализе примерно 650 миллиардов распадов B-мезонов, зарегистрированных LHCb в 2011–2018 годах. С тех пор накоплен уже втрое больший объем данных, а в 2030-х годах планируется модернизация эксперимента, которая позволит увеличить статистику еще примерно в 15 раз. Именно эти будущие измерения должны дать окончательный ответ: наблюдаем ли мы первые убедительные следы физики за пределами Стандартной модели, или теория в очередной раз выдержит проверку.
Ранее Большой адронный коллайдер раскрыл особенности формирования хрупкой материи.