Учёные из ЦЕРНа обнаружили чрезвычайно редкий процесс распада частиц, открывающий новый путь к исследованию физики за пределами нашего понимания того, как взаимодействуют «строительные блоки» материи. Коллаборация NA62 представила на семинаре CERN EP первое экспериментальное наблюдение сверхредкого распада заряженного каона на заряженный пион и пару нейтрино-антинейтрино (K + → π + ν?).

Это крайне редкое явление — Стандартная модель (СМ) физики элементарных частиц, объясняющая, как взаимодействуют частицы, предсказывает, что менее одного из 10 миллиардов каонов распадется таким образом. Эксперимент NA62 был разработан и проведён специально для измерения этого распада каонов.

Кристина Лаццерони, профессор физики элементарных частиц в Университете Бирмингема, сказала: «Благодаря этому измерению K + → π + ν? становится самым редким распадом, установленным на уровне открытия — знаменитым 5 сигм. Этот сложный анализ является результатом превосходной командной работы, и я чрезвычайно горжусь этим результатом».

Каоны производятся высокоинтенсивным протонным пучком, поставляемым суперпротонным синхротроном ЦЕРН (SPS), который сталкивается с неподвижной мишенью. Это создаёт пучок вторичных частиц с почти миллиардом частиц в секунду, летящих в детектор NA62, около 6% из которых являются заряженными каонами. Детектор идентифицирует и измеряет точно каждый каон и продукты его распада, за исключением нейтрино, которые проявляются как недостающая энергия.

Профессор Джузеппе Руджеро из Флорентийского университета добавил: «Это кульминация долгого проекта, начатого более десяти лет назад. Поиск эффектов в природе, вероятность которых составляет порядка 10-11, — увлекательное и сложное занятие. После кропотливой и кропотливой работы мы получили ошеломляющую награду за наши усилия и предоставили долгожданный результат».

Результат основан на сочетании данных, полученных в ходе эксперимента NA62 в 2021–2022 годах, и ранее опубликованного результата, основанного на наборе данных за 2016–2018 годы. Набор данных за 2021–2022 годы был собран после ряда обновлений установки NA62, что позволило работать при интенсивности пучка на 30% выше с несколькими новыми и улучшенными детекторами.

Модернизация оборудования в сочетании с усовершенствованными методами анализа позволила собирать потенциальные сигналы на 50% быстрее, чем раньше, а также добавила новые инструменты для подавления фоновых сигналов.

Группа учёных из Бирмингемского университета, которую в настоящее время возглавляет профессор Евгений Гудзовски, присоединилась к эксперименту NA62 на этапе проектирования в 2007 году, сыграв ключевую роль в сотрудничестве.

Профессор Гудзовски прокомментировал: «Привлечение лучших талантов и предложение ответственных должностей начинающим исследователям всегда было приоритетом для группы. Мы гордимся тем, что и нынешний координатор по физике NA62, и нынешний организатор измерения K + → π + ν? являются бывшими аспирантами Бирмингема. Для нас большая честь работать в такой энергичной и конструктивной команде и руководить ею».

Исследовательская группа изучает распад K + → π + ν?, поскольку он очень чувствителен к новой физике за пределами описания СМ. Это делает распад одним из самых интересных процессов для поиска доказательств новой физики.

Доля каонов, распадающихся на пион и два нейтрино, оценивается примерно в 13 на 100 миллиардов. Это соответствует предсказаниям СМ, но примерно на 50% выше. Это может быть связано с новыми частицами, которые увеличивают вероятность этого распада, но для подтверждения этой идеи необходимо больше данных. Эксперимент NA62 в настоящее время собирает данные, и учёные надеются подтвердить или исключить наличие новой физики в этом распаде в течение следующих нескольких лет.