Международная команда ученых с участием сотрудников НИУ ВШЭ собрала и проанализировала данные десятков экспериментов о превращениях нестабильных частиц чарм-мезонов в их античастицы и обратно. Выяснилось, что такие превращения происходят всего четыре раза на тысячу распадов и полностью совпадают с предсказаниями Стандартной модели. Это значит, что следов новой физики в этих процессах пока не найдено, а если неизвестные частицы и существуют, то они слишком тяжелые, чтобы современные установки смогли их заметить.
Работа опубликована в журнале Physical Review D. Сразу после Большого взрыва материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах и при идеальной симметрии уничтожить друг друга. Но Вселенная сохранилась и почти полностью состоит из вещества, а значит, это равновесие было нарушено. Почему именно так произошло, все еще неизвестно.
Главная теория физики частиц — Стандартная модель — описывает свойства элементарных частиц и подтверждается многочисленными экспериментами, но не объясняет исчезновение антивещества. В поисках ответов физики исследуют слабое взаимодействие, в котором частицы могут превращаться в античастицы и обратно. Эти превращения особенно чувствительны к нарушениям симметрии и поэтому удобны для проверки границ Стандартной модели.
Международная группа UTfit, в которую входят исследователи факультета компьютерных наук НИУ ВШЭ, провела самый полный на сегодня анализ этих процессов. В него вошли данные десятков экспериментов, включая новые результаты детектора LHCb на Большом адронном коллайдере и японского Belle II, которые фиксируют редкие распады частиц в разных условиях. Ученые сосредоточились на очарованных мезонах — короткоживущих частицах, способных спонтанно превращаться в свои античастицы и обратно, что делает их удобным инструментом для поиска малейших различий между материей и антиматерией.
Если бы в таких превращениях проявилось небольшое различие между частицами и античастицами, это могло бы означать, что в природе есть частицы или взаимодействия, которых ранее не замечали. Для обработки информации использовался байесовский подход с марковскими цепями, который позволил учесть статистические и систематические погрешности и объединить разнородные эксперименты в единую картину.
Результаты показали, что превращения мезонов в античастицы происходят крайне редко — примерно четыре раза на тысячу распадов, а разница в скорости распадов частиц и античастиц составляет около шести на тысячу. Эти значения полностью соответствуют предсказаниям Стандартной модели. Выявленное CP‑нарушение — то самое различие между материей и антиматерией — слишком мало, чтобы объяснить исчезновение антивещества во Вселенной.
Однако, даже когда отклонений не обнаруживается, такие исследования позволяют уточнить границы, в которых Стандартная модель остается верной, и оценить характеристики гипотетической новой физики. Анализ показал, что если новые частицы существуют, они должны быть достаточно тяжелыми, чтобы их влияние было практически незаметно на текущем уровне точности. Другими словами, эти эффекты могут проявиться только при энергиях, пока недоступных для современных коллайдеров.
«Чем тяжелее гипотетическая частица, тем слабее ее вклад в наблюдаемые процессы на доступных энергиях, — объясняет заведующий Научно-учебной лабораторией методов анализа больших данных Института искусственного интеллекта и цифровых наук ФКН НИУ ВШЭ Денис Деркач. — Мы объединили данные десятков экспериментов и видим, что все результаты согласуются со Стандартной моделью. Это значит, что если новая физика и существует, ее частицы настолько тяжелые, что их влияние на подобные процессы почти не проявляется. Чтобы заметить даже такие слабые эффекты, нужно продолжать накапливать статистику и повышать точность измерений».