Нераскрытые тайны за пределами Стандартной модели: ученые ищут ответ в «зептоновом универсуме»

Современная физика, благодаря своим передовым инструментам, таким как Большой адронный коллайдер (БАК), достигла значительных успехов в исследовании субатомных частиц. БАК способен анализировать мир на уровне аттометров, что составляет всего лишь одну квинтиллионную метра. В 2012 году коллайдер подтвердил существование бозона Хиггса, и многие ожидали всплеска новых открытий, объясняющих такие загадки Вселенной, как темная материя и асимметрия материи и антиматерии. Однако, вопреки ожиданиям, значительных открытий не произошло.

Недавняя статья в издании New Scientist, написанная физиком-экспериментатором Гарри Клиффом, работающим над экспериметом LHCb, раскрывает одну из теорий, объясняющих отсутствие ожидаемых находок. Наиболее мрачными тайнами, возможно скрывающимися от глаз исследователей, можно считать «зептоновую вселенную» — мир, существующий на масштабе 10-21 метра. БАК может напрямую исследовать частицы лишь до 50 зептометров, однако существует мнение, что многие из искомых частиц могут находиться за пределами возможностей данного коллайдера.

Теоретический физик Анджей Бурас из Технического университета Мюнхена утверждает, что, хотя изучение этой новейшей физики с помощью БАК и Future Circular Collider (FCC) может занять десятилетия, мы можем исследовать этот фронт с помощью косвенных методов. В 2020 году Бурас в статье для Physik Journal задавался вопросом, возможно ли достичь зептоновой вселенной в этом десятилетии благодаря физике кварков и процессам, нарушающим лептонные числа, еще до создания какого-либо коллайдера XXI века.

Согласно новой работе, опубликованной на arXiv в 2024 году, Бурас выделил семь потенциальных мишеней для исследования, названных им «великолепной семеркой». Все эти мишени представляют собой крайне редкие распады частиц, содержащих странные и нижние кварки, которые Клифф характеризует как «эхо зептоновой вселенной». К счастью для Бураса, некоторые эксперименты уже ведут поиск этих ультраредких распадов.

Одним из примеров такого распада является B-мезон — композитная частица, созданная из разных кварков. В 2023 году эксперимент Belle II в Японии зафиксировал этот распад, приводящий к образованию частицы каона (или K-мезона) и двух нейтрино. Тем не менее, из-за особенностей экспериментального устройства информации о нейтрино оказалось недостаточно.

Не следует забывать и о других ультраредких распадах, зафиксированных в последнее время. Так, в сентябре 2024 года эксперимент NA62 на CERN записал распад положительного каона на пиона и пару материю-антиматерии, вероятность которого составляет менее одной из 10 миллиардов. Учитывая, что это взаимодействие чувствительно к отклонениям от Стандартной модели, оно рассматривается как одна из основных мишеней для поиска новой физики. В настоящее время эксперимент KOTO в Японии стремится получить второе подтверждение данного распада каона.

«Поиск новых частиц и сил за пределами Стандартной модели настоятельно требуется для объяснения темной материи, огромного диапазона масс частиц от микроскопического нейтрино до массивного топ-кварка и асимметрии между материей и антиматерией, становящейся причиной нашего существования», — отметил Бурас в журнале CERN Courier. «Поскольку прямые поиски в БАК еще не дали никаких подсказок относительно того, что из себя представляют новые частицы и силы, косвенные исследования становятся все более важными».

Ученые только начинают заглядывать в неизведанные области зептоновой вселенной, и пока не вступят в строй коллайдеры следующего поколения, эти крайне редкие распады остаются нашим единственным окном в ту загадочную реальность. По мере углубления увлечения физиков в эту область мы, возможно, сможем достичь прорыва, способствующего раскрытию тайн Вселенной.