Физики подводят промежуточные итоги изучения распадов B-мезонов
elementy
Главная задача современной физики элементарных частиц — найти четкие экспериментальные указания на Новую физику — теорию, которая должна прийти на смену Стандартной модели. Такие отклонения ищут на Большом адронном коллайдере двумя способами. Первый — это метод «грубой силы», когда сталкиваются частицы максимально достижимой энергии и, как надеются физики, в них родятся новые частицы и проявят себя хорошо заметным образом. Поиск всплесков на графиках в области масс порядка 1 ТэВ — типичный пример таких исследований. Второй способ — это путь точных измерений тонких эффектов. Здесь энергия процесса может быть небольшой, и, как следствие, эффекты от новых частиц или взаимодействий будут очень косвенными и слабыми. Однако для редких процессов, которые и так очень слабы в рамках Стандартной модели, вклад Новой физики можно будет заметить с помощью очень точных измерений.
Самый интересный класс таких процессов — это распады B-мезонов, настоящий кладезь эффектов для всестороннего изучения. Удобство B-мезонов в том, что в их состав входит тяжелый b-кварк. За счет слабого взаимодействия он может распадаться на любые более легкие кварки: u, d, s, c. Каждое из этих превращений происходит со своей вероятностью и обладает своими особенностями. Большинство теорий Новой физики предсказывает те или иные отклонения в каком-либо из этих распадов, которые потенциально могут быть обнаружимы детекторами BaBar, Belle и LHCb, заточенными под изучение распадов B-мезонов. Кроме того, тяжелый b-кварк отчасти упрощает теоретический расчет распадов.
За последние годы на LHC и на других коллайдерах было обнаружено немало отклонений из обеих групп. К сожалению, большинство высокоэнергетических аномалий не выдержало проверки временем и не подтвердилось в 2016 году. По состоянию на январь 2017 года список «загадок коллайдера» заметно поредел в высокоэнергетической области в сравнении с таким же списком годичной давности. Но отклонения, найденные в распадах B-мезонов, по-прежнему держатся. Их можно условно классифицировать по тому, в какой кварк превращается b-кварк:
- b → c: подозрение на нарушение лептонной универсальности в распадах B → Dlν или B → D*lν, статистическая значимость отклонений порядка 4σ;
- b → s: сильное отличие в вероятности распадов B → K*μμ и Bs → φμμ (примерно 3,5σ) и еще один намек на нарушение лептонной универсальности (2,6σ);
- b → d: небольшое расхождение в вероятности сверхредкого распада B → μμ, которое, впрочем, особого интереса у теоретиков не вызывает;
- b → u: несостыковка на уровне 2–3σ в измерениях вероятности этого превращения, выполненных двумя разными способами.
Причина «долгожительства» этих отклонений — в них самих, в том, что выцарапывать эти результаты надо с помощью кропотливого анализа, который может длиться годами. Именно поэтому коллаборация LHCb в течение 2015–2016 годов накапливала данные и не торопилась с обновлением результатов. Есть и вторая особенность: отличие здесь сугубо численное, совсем не бросающееся в глаза. Чтобы заявить об отклонении, надо не только тщательно измерить распад в эксперименте, но и максимально точно сосчитать его теоретически, что само по себе очень сложно.
Тем не менее ожидается, что в 2017 году LHCb представит первые данные по этим загадкам на основе сеанса Run 2. В ожидании обновлений физики подводят промежуточный итог всей этой области исследований, сводя воедино результаты последних лет.
В конце декабря рабочая группа HFAG (Heavy Flavor Averaging Group) завершила очередное усреднение всех экспериментальных результатов по свойствам B-мезонов, D-мезонов и тау-лептона. Почти 500-страничный отчет группы появился в архиве препринтов; эти же данные в виде отдельных таблиц и графиков приведены на сайте группы. На рисунке выше показан один из множества результатов этой работы: обновленный статус подозрения на нарушение лептонной универсальности в распаде «b → c плюс лептонная пара». Сравнение усредненных данных с теоретическими предсказаниями по-прежнему велико и достигает 3,9σ.
В заключение хочется подчеркнуть важный момент, который относится не только к этой конкретной теме, но и вообще к поискам Новой физики на коллайдерах. Читателю, привыкшему к громким, порой сенсационным сообщениями СМИ, такой неторопливый ход исследований, такой уровень осторожности в заявлениях и неопределенности в результатах может показаться не просто скучным, а даже «ненаучным». Какие-то намеки появляются в данных, муссируются три года, а потом исчезают — как тут не вспомнить пресловутых «британских ученых»?! Где громкие открытия? Где однозначные достоверные выводы? Почему топчемся на месте?!
Между тем, именно вот эта работа и есть честная современная физика элементарных частиц. Громкое открытие — это столь же редкое событие, как в футболе гол, забитый в высоком прыжке ударом через себя далеко из-за пределов штрафной площадки. Да, такое иногда случается и запоминается очень ярко. Но садиться смотреть футбол, ожидая от любимой футбольной команды исключительно такой перформанс и ничего более приземленного, было бы крайне странно. Всё же успешное выступление команды складывается из множества навыков, мелких деталей, отточенных движений, каждое из которых может показаться чем-то неинтересным.
Так же и в физике частиц. Основная работа — это выцарапывание всех результатов из данных эксперимента, до которых мы можем дотянуться. Подавляющее большинство из них откровенно скучны, некоторые любопытны, но потом закрываются новыми данными. Это нормально, это и есть рабочий процесс. Именно такой скрупулезный анализ нужен для того, чтобы рано или поздно случилось то самое громкое открытие, которое сдвинет рамки нашего понимания микромира.
Комментарии:
03.02.2017 12:41 | Богдан Шевченко
А как так? Я что-то был уверен всегда, что b-кварк может распасться только в c и u, а выходит, что он может и в s и в d?
Где об этом можно почитать подробнее?
03.02.2017 13:46 | Fireman
Это называется (если я не путаю) слабое взаимодействие, в результате которого один аромат переходит в другой, описывается CKM-матрицей
03.02.2017 15:52 | Игорь Иванов
Это петлевые процессы. Условно говоря, b-кварк испускает виртуальный W-, превращается в t,c, или u, с него потом что-то излучается без изменения аромата кварка, а затем он обратно поглощает виртуальный W-, но уже становясь при этом s или d. Примеры диаграмм см. тут http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks/hadrons/decays
03.02.2017 16:51 | VICTOR
А если говорить про распад конкретного мезона, то например D+ может распасться в "K-"+"pi+"+"e+"nu_e". То есть это как бы одновременно "обычный бета-распад" и рождение мезона "u-anti-d".
З.Ы. Потом поищу, может ли мезон распадаться на 2 лептона. Пи-0 - без проблем, Пи+ - в антимюон, позитрон или Пи-0.