Получены указания на нарушение лептонной универсальности

Понедельник, 29 марта 2021

Эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), представил работу, посвященную изучению распадов B+→ K+l+l (l = µ, e). Распады с испусканием пар μ+μ идут реже, чем с e+e, причем измерения расходятся с предсказаниями Стандартной Модели физики элементарных частиц (СМ) на уровне, превышающем три стандартных отклонения.

Проверкой лептонной универсальности (ЛУ) CМ элементарных частиц, называют проверку того, что разница между лептонами различных поколений, то есть между электронами (e), мюонами (µ) и тау-лептонами (τ), обусловлена только различной массой этих частиц, в то время как константы слабого и электромагнитного взаимодействий для них идентичны. Новые (гипотетические) фундаментальные поля и частицы могут нарушать ЛУ, поэтому проверка этого принципа является одним из мощнейших косвенных методов поиска Новой физики (НФ).

Для поиска таких эффектов очень подходят распады, в которых b-кварк переходит в s-кварк, так как для описания этого перехода в рамках СМ нужно привлекать несколько уже известных массивных виртуальных частиц, поэтому его вероятность подавлена. Все сказанное относится и к антикваркам. Так, на рисунке 1 приведены кварковые диаграммы для распадов B+  K+l+l, отражающие как механизмы СМ, так и влияние гипотетических лептокварков (LQ). Если константа для вершины кварк-лептон-лептокварк различна для электронов и мюонов, то соответствующие диаграммы дадут различный вклад в вероятность протекания процессов распада с электрон-позитронной и мюон-антимюонной парами в конечном состоянии. Соответствующее отношение парциальных ширин, обозначаемое RK+ = BR (B+ → K+µ+µ) / BR(B+ →K+e+e), будет отличаться от единицы. Подобные соотношения можно записать и для других распадов прелестных частиц.

Экспериментальной проверкой ЛУ занимается эксперимент LHCb на БАК. Уже исследовано много каналов и для всех из них обнаружено, что величина RK+ меньше единицы, однако большие экспериментальные погрешности не давали сделать заявления об обнаружении эффекта или указания на него. Статистические значимости отличия RK+ от единицы для всех этих измерении были меньше 3σ.

Традиционно, главным весенним форумом физики элементарных частиц является французская конференция Rencontres de Moriond. На ней коллаборация LHCb представила новые данные по измерению RK+. Обработана статистика, набранная в 2017-2018 годах в ходе второго этапа работы БАК, полученный результат был объединен с более ранними измерениями.

Для снижения погрешности при измерении величины RK+ используется так называемое двойное отношение. Конечное состояние K+l+l может быть образовано через промежуточные чармониевые резонансы – т.е. цепочку распадов B+J/ψ(→l+l)K+. Такие переходы достаточно интенсивны, а их вероятности известны. Нужно только зафиксировать сигнал в соответствующем диапазоне квадрата масс лептонной пары (обозначается q2). Эффективности контрольных каналов также очень похожи на эффективности сигнальных, поэтому поправку на эффективность регистрации µ+µ и e+e физики получают напрямую из экспериментальных данных. Такой подход позволяет сократить многие систематические погрешности измерения. На рисунке 2 приведены массовые спектры для сигнальных и контрольных каналов распада.

Экспериментаторов интересует сигнал в области малых q2. Величина RK+ была измерена в диапазоне 1.1 < q2 < 6.0 ГэВ2. Её значение составило RK+ = 0.846+0.044-0.041 (статистическая и систематическая погрешности объединены). Текущий и предыдущие результаты LHCb, а также результаты других экспериментов, представлены на рисунке 3. Результаты, включающие новые данные, расходятся с предсказаниями СМ на 3,1σ, что впервые обнаружено для индивидуального канала распада прелестной частицы. Теперь можно говорить о существовании экспериментального указания на нарушения ЛУ в распадах B+-мезонов!

Получить более подробную информацию об этом исследовании можно из заметки на сайте LHCb, материалов, представленных на Moriond, а также из материалов семинара, который прошел в ЦЕРН, и препринта статьи. Также следует отметить, что физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ внесли существенный вклад в создание и обслуживание детектора LHCb. Так для мюонной системы, которая сыграла ключевую роль в представленных измерениях, в Институте были изготовлены мюонные камеры. Сотрудники Отделения физики высоких энергий Института участвуют в проведении эксперимента, обеспечивая стабильную работу мюонной системы LHCb.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт