Поиски редких процессов

Общие принципы и значимость

Редкие процессы — это такие взаимодействия элементарных частиц, которые происходят с чрезвычайно малой вероятностью, часто намного реже, чем один случай на миллиард событий. Они представляют собой особый интерес, поскольку могут быть чувствительными к физике за пределами Стандартной модели, включая эффекты, обусловленные новой тяжелой физикой, нарушением симметрий, новыми частицами или взаимодействиями. Поиск редких процессов требует высочайшего уровня экспериментальной точности, подавления фона, точного моделирования и огромного объема собранных данных.

Классическими примерами редких процессов являются:

• распады, запрещённые или сильно подавленные в рамках Стандартной модели (например, распад K_L⁰ → π⁰νν̄);
• процессы с нарушением сохранения лептонного или барионного числа (например, протонный распад);
• нейтрино-менее редкие, но все ещё чрезвычайно трудные для наблюдения процессы, такие как двойной бета-распад без испускания нейтрино.

Нарушения редких симметрий

Многие редкие процессы ассоциированы с нарушением симметрий, играющих фундаментальную роль в построении Стандартной модели. Среди них особенно важны:

Нарушение CP-симметрии

CP-нарушение наблюдалось в распадах мезонов K и B, но его масштаб в рамках Стандартной модели объясняется комплексной фазой CKM-матрицы и не способен объяснить, например, барионную асимметрию Вселенной. В связи с этим особое внимание уделяется поиску новых источников CP-нарушения, включая:

• измерения EDM (электрических дипольных моментов) нейтрона, электрона, тяжелых ядер;
• редкие распады с CP-асимметриями;
• интерференционные эффекты в распадах нейтральных мезонов.

Нарушение лептонного и барионного числа

Физика за пределами Стандартной модели (например, GUT, теория суперсимметрии) предсказывает процессы, нарушающие сохранение лептонного или барионного числа:

• распад протона: p → e⁺π⁰ и аналогичные каналы;
• нейтрино-менее двойной бета-распад: (A, Z) → (A, Z + 2) + 2e⁻;
• переходы типа μ → eγ, μ → 3e, μ-e конверсия в ядрах.

Пока ни один из этих процессов не был наблюден, но получены очень строгие ограничения на соответствующие времена жизни и вероятности.

Экспериментальные методы

Ультранизкий фон

Из-за крайне низкой вероятности редких процессов необходима минимизация фоновых событий. Это достигается за счёт:

• глубокого размещения детекторов (в подземных лабораториях);
• применения сверхчистых материалов;
• активного и пассивного экранирования;
• использования специальных топологий событий.

Пример: эксперимент GERDA по поиску безнейтринного двойного бета-распада использует обогащённый германий, погружённый в жидкий аргон с функцией экрана и сцинтиллятора.

Интенсивные пучки и накопление статистики

Многие редкие процессы требуют не только чистой обстановки, но и огромного количества исследуемых событий. Например:

• MEG II в PSI использует интенсивный мюонный пучок для изучения μ → eγ;
• NA62 в ЦЕРН исследует распад K⁺ → π⁺νν̄, требуя триггеры на миллиард распадов каонов.

Современные эксперименты достигают чувствительности к вероятностям порядка 10⁻¹³ и ниже.

Детекторы с точным временем и пространственным разрешением

Высокая временная и пространственная точность необходима для выделения сигнала среди фона, особенно в случаях, когда характеристики редкого события напоминают более вероятные фоны. Применяются:

• кремниевые трековые детекторы с разрешением порядка микрон;
• сцинтилляторы с временным разрешением до 50 пс;
• калориметры с высокой энергией и пространственной точностью.

Теоретическая мотивация

Новая физика в петлях и на дереве

Редкие процессы чувствительны к виртуальным вкладкам новых частиц в петлевых диаграммах. Даже если энергия недоступна напрямую, как, например, при производстве тяжелых бозонов, их косвенное влияние может быть замечено в отклонениях от Стандартной модели.

Например:

• Суперсимметрические частицы могут индуцировать переход μ → eγ через петли;
• Тяжёлые нейтрино могут привести к безнейтринному двойному бета-распаду;
• Новые калибровочные бозоны (Z′, W′) могут появиться в FCNC-процессах (b → sℓ⁺ℓ⁻).

Операторы эффективной теории

Редкие процессы удобно описывать в рамках эффективной теории поля (Effective Field Theory, EFT). При этом новые эффекты моделируются добавлением к лагранжиану операторов более высокого порядка, подавленных масштабом новой физики:

$$ \mathcal{L}_\text{eff} = \mathcal{L}_\text{SM} + \sum_i \frac{c_i}{\Lambda^n} \mathcal{O}_i $$

Где Λ — масштаб новой физики, c_i — безразмерные коэффициенты, ????_i — операторы с нарушением симметрий или новым типом взаимодействия. Измерения редких процессов позволяют устанавливать нижние пределы на Λ, достигающие десятков и сотен ТэВ.

Современные примеры и достижения

Распады B-мезонов

Эксперименты LHCb, Belle II и BaBar активно исследуют редкие распады типа:

• B_s → μ⁺μ⁻
• B → K^(*)ℓ⁺ℓ⁻

Наблюдаются аномалии в угловых распределениях и соотношениях распадов на разные лептоны, что может свидетельствовать о нарушении универсальности лептонов.

Распад K⁺ → π⁺νν̄

Этот процесс теоретически предсказан с высокой точностью и крайне подавлен, что делает его чувствительным к новой физике. Эксперимент NA62 в ЦЕРН установил строгие ограничения и продолжает накапливать данные, приближаясь к наблюдению с сигнальным значением.

Двойной бета-распад

Поиск безнейтринного двойного бета-распада (0νββ) ведётся с целью установить природу нейтрино: являются ли они майорановскими частицами. Эксперименты GERDA, EXO-200, KamLAND-Zen и предстоящий LEGEND нацелены на достижение чувствительности к эффективной массе нейтрино порядка 10–20 меВ.

Электрический дипольный момент

Наблюдение EDM электрона или нейтрона выше предсказаний Стандартной модели будет явным указанием на новую CP-нарушающую физику. Современные эксперименты (ACME, nEDM) достигают чувствительности порядка 10⁻²⁹ e ⋅ см.

Перспективы

Будущие эксперименты, такие как Mu2e, COMET, Hyper-Kamiokande, DUNE, продолжат поиски редких процессов с беспрецедентной чувствительностью. Они имеют потенциал не только расширить наши знания о свойствах элементарных частиц, но и пролить свет на глубинные симметрии природы, происхождение материи и структуру пространства-времени.