Загадка частиц в зептономере: ученые ищут новые возможности исследования фундаментальных вопросов физики

Человечество сделало немалые шаги вперед в исследовании невидимого мира субатомных частиц благодаря таким инструментам, как Большой адронный коллайдер (БАК). Этот уникальный проект позволяет нам погружаться в мир частиц на уровне аттометров, что составляет лишь одну квинтильонную метра. В 2012 году БАК подтвердил существование бозона Хиггса, что породило ожидания новых открытий, способных объяснить такие загадки, как темная материя и асимметрия материи и антиматерии.

Тем не менее, с тех пор не было значительных открытий, сопоставимых с открытием бозона Хиггса. Статья в New Scientist, написанная физиком-частичником Гарри Клиффом, который участвует в эксперименте LHCb, предлагает одну из теорий, объясняющих отсутствие ожидаемых находок. Согласно Клиффу, многие из этих открытий могут скрываться в так называемом «зептономере» — области, существующей на масштабе 10-21 метра. БАК способен анализировать частицы лишь до 50 зептометров, однако, как указывает Клифф, есть теория, поддержанная теоретическим физиком Анджеем Бурасом из Технического университета Мюнхена, согласно которой эти ускользающие частицы могут находиться за пределами возможностей обнаружения коллайдера.

В этой связи возможностью для дальнейшего исследования новомодной физики стало бы создание более мощного детектора — в 2025 году CERN завершила исследование целесообразности строительства Будущего кругового коллайдера (FCC). Бурас считает, что исследование невидимого зептономера можно осуществить косвенно, не дожидаясь строительных работ коллайдера, который начнет осуществлять высокоэнергетическую физику только к 2070 году. В своей статье, опубликованной в Physik Journal, он задается вопросом: «Можем ли мы достичь зептономера, т.е. разрешения до 10-21 м или энергий до 200 ТеВ, с помощью физики столкновений кварков и процессов, нарушающих лептонную симметрию, в этом десятилетии?»

Недавно, в статье, размещенной на пре-принт сервере arXiv, Бурас выделил семь потенциальных объектов для такого исследования, получивших название «великолепная семерка». Все семь относятся к крайне редким распадам частиц, содержащих странные и дно-кварки, которые Клифф называет «эхом из зептономера». Некоторые решения уже находятся в процессе изучения.

Одним из недавних примеров таких распадов является распад мезона B —Composite частицы, состоящей из различных кварков. В 2023 году эксперимент Belle II в Японии зафиксировал этот распад, в результате которого возникли другой мезон (каон) и два нейтрино. Однако поскольку эксперимент не был настроен для непосредственного обнаружения нейтрино, информация о них остается ограниченной.

Кроме того, не единственным расследуемым распадом является распад положительно заряженного каона на пионы и пару материя-антиюскор. В сентябре 2024 года эксперимент NA62 в CERN зафиксировал этот редкий распад, частота которого составляет менее одного из 10 миллиардов каонов. Данная реакция чувствительна к отклонениям от модели Стандартной модели и считается одним из ключевых направлений для поиска новой физики. Современный эксперимент KOTO в Японии также стремится подтвердить этот распад.

«Поиск новых частиц и сил, выходящих за рамками Стандартной модели, тесно связан с необходимостью объяснения темной материи, огромного диапазона масс частиц — от крошечного нейтрино до массивного топ-кварка, а также асимметрии между материей и антиматерией, которая отвечает за наше существование», — отметил Бурас в журнале CERN Courier. «Поскольку прямые поиски на BAK пока не дали никаких подсказок о том, что могут представлять собой эти новые частицы и силы, косвенные поиски становятся всё более важными».

Таким образом, ученые только начинают исследовать неизведанные пределы зептономера. В отсутствие следующего поколения коллайдеров крайне редкие распады становятся одними из немногих доступных окон в эту сложную и загадочную область физики.