Наука и образование

Новые исследования редких распадов Bs0 на LHCb

В конце мая эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую работу по исследованию распадов типа B_s⁰ → h⁰(→K⁺K^–)μ⁺μ^–, где h⁰ соответствует адрону. Для распада B_s⁰ → φμ⁺μ^– наблюдается указание на отклонение измеренной вероятности от предсказаний Стандартной Модели. Также физикам впервые удалось экспериментально зафиксировать распад B_s⁰ → f₂’(1525)μ⁺μ^–.

Современная теория элементарных частиц – Стандартная Модель (СМ) – обладает большой предсказательной силой. В рамках этой теории можно довольно точно вычислять вероятности рождения и распада различных частиц. Естественно, экспериментаторы пытаются проверять предсказания СМ. Особенно важна экспериментальная проверка редких феноменов СМ, ведь на их фоне могут проявляться новые, еще неизвестные нам, фундаментальные частицы и взаимодействия. Одним из многообещающих секторов косвенного поиска Новой физики являются редкие распады с испусканием ди-лептонных пар (e⁺e^– или μ⁺μ^–). В СМ такие переходы сильно подавлены, однако их характеристики поддаются расчету. Экспериментально исследуются вероятности таких распадов и их угловые характеристики (1, 2, 3), а также в процессах такого типа производится проверка лептонной универсальности (4, 5, 6, 7, 8).

Одним из указаний на отклонение экспериментальных данных от предсказаний СМ было расхождение теоретической и измеренной вероятностей распада типа B_s⁰ → φμ⁺μ^–. Оно проявлялось в области малых масс системы мюонов (q). Измерения были сделаны LHCb с использованием данных, набранных в 2011-12 гг. в ходе первого этапа работы БАК. И вот недавно коллаборация LHCb представила объединенные результаты для обоих этапов работы ускорителя.

Мезон φ(1020) хорошо восстанавливается по распаду на пару K⁺K^–. Соответственно выделяются четырех-частичные конечные состояния K⁺K^–μ⁺μ^–. Главной трудностью при измерении вероятности распада становится вычисление эффективности регистрации системы таких частиц. Тут на помощь физикам приходит сама Природа. Дело в том, что для B_s⁰ мезона довольно велика вероятность распасться по каналу φJ/ψ(→ μ⁺μ^–). Частица J/ψ – это чармониевый резонанс, связанное состояние с- и анти-с-кварков. На рисунке 1 показаны распределения событий по массе системы K⁺K^–μ⁺μ^– для сигнального и контрольного каналов.  Измеряется отношение вероятностей распадов B_s⁰ → φμ⁺μ^– и B_s⁰ → φJ/ψ(→ μ⁺μ^–), а величина отношения их эффективностей намного лучше контролируется, ибо многие систематические эффекты сокращаются.

Измеренные вероятности распадов для канала B_s⁰ → φμ⁺μ^– в зависимости от величины q² приведены на рисунке 2. Там же показаны результаты предыдущих измерений и предсказания теоретических расчетов. Видно, что экспериментальные точки лежат систематически ниже предсказаний. Для диапазона q² от 1,1 до 6,0 ГэВ²/c⁴ отклонение составляет 3,6σ, что позволяет говорить об указании на отклонения данных от предсказаний СМ. Пока нельзя с уверенностью сказать, что получено указание на проявление Новой физики, однако представленный результат интригует.

Также в выпущенной работе сотрудники LHCb сообщают об обнаружении в этом же конечном состоянии (K⁺K^–μ⁺μ^–) проявления другого редкого распада: B_s⁰ → f₂’(1525)μ⁺μ^–. Сигнал от перехода f₂’(1525) → K⁺K^– проявляется в спектре масс системы каонов (см. рисунок 3). Статистическая значимость наблюдения составляет 9 стандартных отклонений. Этот канал распада интересен тем, что впервые наблюдается проявление резонанса со спином 2 для редких распадов прелестных частиц, протекающих с испусканием мюонной пары. В будущем физики надеются использовать этот канал распада для проверки предсказаний СМ.

В заключение 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 НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ участвуют в проведении эксперимента, обеспечивая стабильную работу мюонной системы LHCb.