Мюоны, родившиеся в неположенном месте

Осенью 2008 года физики, работавшие на одном из крупнейших ускорителей мира — Тэватроне в Фермилабе, — столкнулись с результатами, которые отказывалась объяснять Стандартная модель. Мюоны, элементарные частицы, вели себя так, словно забыли законы рождения и смерти, предписанные им учебниками.

Международный коллектив, анализировавший данные с детектора CDF (Collider Detector at Fermilab), изучал столкновения протонов и антипротонов. Энергия в точке удара достигала почти двух триллионов электрон-вольт — достаточно, чтобы на краткий миг материализовались частицы, которых в обычном мире не встретишь. Кинетическая энергия пучков переходила в массу, и среди прочего рождались короткоживущие частицы с b-кварком. Эти «тяжёлые» гости почти сразу распадались на пары мюонов — более лёгких родственников электронов.

И вот тут начиналась странность.

Детектор CDF, спроектированный с ювелирной точностью, умел восстанавливать траектории мюонов до самой точки их появления. По всем расчётам, эта точка должна была находиться в нескольких миллиметрах от места столкновения протонных пучков — дальше породившая мюоны частица просто не успела бы улететь за свою микроскопическую жизнь. Но данные говорили иное: мюоны появлялись в десятки раз дальше. Они рождались уже за пределами вакуумной трубы, где никакой первичной встречи протонов и антипротонов произойти не могло.

Словно кто-то невидимый пронёс их сквозь материю и выпустил на свободу вдали от места преступления.

Лишние частицы и трещины в Стандартной модели

Странным оказалось не только место рождения. Само количество мюонов выбивалось из теоретических рамок. Стандартная модель — лучшее на сегодня описание микромира — не допускает появления мюонных струй с такой интенсивностью даже в непосредственной близости от столкновения. А уж на значительном удалении — тем более.

Физики, годами отлаживавшие детектор и перебиравшие миллионы событий, впервые видели подобное. «Ранее мы с таким явлением не встречались», — констатировали участники коллаборации CDF. В кулуарах заговорили о возможном перевороте в физике: если результат подтвердится, придётся пересматривать фундаментальные представления о рождении и взаимодействии частиц.

Но научная осторожность взяла верх. Данные Тэватрона — это ещё не приговор устоявшейся теории. Во-первых, всегда остаётся вероятность тонкой инструментальной ошибки или неучтённого фона. Во-вторых, физики уже смотрели в сторону Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе, который как раз готовился к запуску. Именно БАК с его рекордными энергиями должен был либо подтвердить аномалию, либо закрыть её как статистическую флуктуацию.

Поэтому в официальных заявлениях учёные избегали громких слов. Никто не торопился хоронить Стандартную модель — её хоронили уже не раз, и каждый раз она выживала. Но напряжение в сообществе ощущалось: слишком уж необычными выглядели мюоны-«призраки», родившиеся там, где их быть не могло.

Детектив на расстоянии

История напоминает классический научный детектив: есть «место преступления» — точка столкновения пучков, есть «подозреваемые» — короткоживущие частицы с b-кварком, и есть «улики» — треки мюонов, указывающие на рождение далеко за пределами допустимой зоны. Но где же тогда настоящий «виновник»?

Одна из гипотез, которую обсуждали физики, — существование новых, пока не открытых частиц с относительно долгим временем жизни. Такая частица могла бы незаметно пролететь несколько сантиметров и лишь затем распасться на мюоны. Если это так, то детектор CDF, сам того не желая, зафиксировал следы Новой физики — того самого раздела неизведанного, ради которого и строятся гигантские ускорители.

Впрочем, скептики напоминали: похожие аномалии уже всплывали в прошлом и исчезали после перепроверки. Достаточно вспомнить, как коллайдер выдал лишние частицы — и это не Хиггс, и каждый раз статистическая значимость таяла с набором новых данных.

Пока же, в конце 2008 года, оставалось ждать. Многомесячный эксперимент на Тэватроне оставил после себя горы необработанной информации, и каждая новая порция анализа могла как усилить загадку, так и развеять её. А впереди маячил запуск Большого адронного коллайдера — машины, способной либо подтвердить прорыв, либо вернуть физиков к спокойной рутине Стандартной модели.

Сегодня, оглядываясь назад, мы знаем, что Стандартная модель устояла — но тот ноябрьский всплеск интереса к мюонам из ниоткуда стал одним из многих эпизодов, когда наука замирала в шаге от переворота. И кто знает, сколько ещё таких «лишних» частиц прячется в данных, ожидая, пока их заметят по-настоящему.