Шумный вокзал в час пик. Тысячи людей спешат, голоса сливаются в гул. И где-то в этой толпе два человека пытаются пожать друг другу руки особым, едва заметным жестом. Заметить такое рукопожатие почти невозможно. Именно с такой задачей столкнулись физики на Большом адронном коллайдере, когда решили поискать новые частицы в области масс от 20 до 60 ГэВ (для сравнения, масса протона — около 1 ГэВ).
Раньше этот диапазон оставался «слепой зоной»: сигналы от лёгких частиц тонут в фоне, как шёпот на рок-концерте. Чтобы расслышать шёпот, учёные построили специальный «слуховой аппарат» — алгоритм, который выхватывает из месива данных следы тау-лептонов. Тау-лептон — это увесистый родственник электрона, который живёт всего миг и распадается на ливень других частиц. Поймать такой ливень, да ещё когда тау-лептон родился почти без движения, — задача на грани фантастики.
Новый подход сработал: физики не просто услышали шёпот, но и разобрали слова. Им удалось зарегистрировать рождение давно известных ипсилон-мезонов, которые распадаются на пару тау-лептонов. Сигнал оказался настолько чистым, что его заметность над фоном составила 5,8 сигма — это всё равно что подбросить монетку и 20 раз подряд получить орла. А вот новых, незваных гостей в этом диапазоне масс не обнаружили.
Отсутствие находки — тоже результат. Он очерчивает границу, за которой новые частицы не могут прятаться: их рождение с последующим распадом на два тау-лептона должно происходить реже, чем 40–400 событий на каждые сто миллиардов столкновений. Теперь мы знаем, где не стоит искать, и можем навести фокус на другие укрытия. А шумный вокзал стал чуть понятнее — и это только начало.
Тау-лептон был открыт в 1975 году и стал первым представителем третьего, самого тяжёлого поколения частиц. Его обнаружение было настолько неожиданным, что нобелевский лауреат Исидор Раби, узнав о мюоне (частице второго поколения), воскликнул: «Кто это заказал?» — а тут появился ещё и тау.
В романе «Задача трёх тел» Лю Цысиня инопланетяне используют развёрнутые в пространстве протоны для создания помех ускорителям. Реальные же физики, напротив, учатся выуживать из протонных столкновений всё более тонкие сигналы.