Фейерверк вспыхивает, и одна точка рассыпается сразу четырьмя искрами. Похоже ведёт себя Z-бозон — частица, переносящая слабое взаимодействие, — когда распадается на четыре заряженных лептона (электроны или мюоны). Процесс крайне редкий: на миллион рождений Z-бозона приходится лишь около пяти таких событий.
На Большом адронном коллайдере, в детекторе CMS, протоны сталкивались на огромной скорости, и среди обломков физики искали именно такие «четырёхлептонные фейерверки». За два сеанса работы на энергиях 8 и 13 ТэВ накопили данных на 19.7 и 138 обратных фемтобарн (эта мера показывает, сколько всего произошло столкновений). В результате общую вероятность распада Z → 4ℓ измерили с точностью до 3% — [4.67 ± 0.11 (стат) ± 0.10 (сист)] × 10⁻⁶. Отдельно посчитали для комбинаций: Z → 4μ, Z → 4e и Z → 2μ2e.
Главная интрига была не в самой вероятности. Физики изучали, как продукты распада разлетаются в пространстве: углы, энергии, взаимные ориентации. Особое внимание уделили тройным асимметриям — величинам, которые меняют знак при зеркальном отражении и замене частиц на античастицы. Заметные отклонения от нуля указали бы на нарушение CP-инвариантности, одного из фундаментальных принципов Стандартной модели. Результаты сравнили с предсказаниями теории и расхождений не нашли. Зато установили ограничения на возможное существование новых тяжёлых частиц — например, дополнительных калибровочных бозонов, которые могли бы вмешиваться в этот распад.
Такой фейерверк — не просто красивое зрелище. Это сверхчувствительный тест на новую физику: малейшая примесь неизвестных сил изменила бы картину разлёта частиц. Пока всё чисто, но точность измерений уже вплотную приблизилась к тому уровню, где могут проявиться долгожданные сюрпризы. И тогда четыре искры расскажут о мире то, чего мы ещё не знаем.
как её написали авторы, на английском arXiv:2605.25158
Decays of Z bosons to four charged leptons (electrons and muons) are studied in proton-proton collisions at $$\sqrt{s}$$ = 8 and 13 TeV. The analysis is based on data collected with the CMS detector at the LHC corresponding to an integrated luminosity of 19.7 fb$$^{-1}$$ at 8 TeV and 138 fb$$^{-1}$$ at 13 TeV. The measured value of the inclusive branching fraction for all four-lepton decay modes, $$\mathcal{B}$$(Z $$\to$$ 4$$\ell$$), is [4.67 $$\pm$$ 0.11 (stat) $$\pm$$ 0.10 (syst)] $$\times$$ 10$$^{-6}$$, which has a precision of about 3% limited by both statistical and systematic uncertainties. Measurements of the individual branching fractions for the decays Z $$\to$$ 4$$\mu$$, Z $$\to$$ 4e, and Z $$\to$$ 2$$\mu$$2e are also reported. Differential decay rates are presented as functions of kinematic and angular quantities in the Z boson rest frame. Measurements of triple-product asymmetries, which are sensitive to possible violations of charge conjugation and parity invariance, are performed for Z $$\to$$ 4$$\ell$$ decays. The results are compared with standard model predictions and used to set limits on the production of new gauge bosons.
Вероятность распада Z-бозона на четыре лептона примерно в сто раз меньше, чем на два лептона, и в миллион раз меньше, чем на адроны (частицы, состоящие из кварков).