Наука и образование

LHCb ищет редкие распады прелестных частиц на четыре мюона

В ноябре эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую работу, посвященную поискам распадов B⁰- и B^­_s⁰-мезонов на четыре мюона. Это исследование стало 600-й научной статьей, направленной в печать международным сотрудничеством. Эксперимент LHCb посвятил эту работу памяти А.А. Воробьева.

В Стандартной Модели физики элементарных частиц (СМ) прямые распады типа B_(s)⁰ → μ⁺μ^–μ⁺μ^– сильно подавлены. Дело в том, что минимально возможные амплитуды должны содержать несколько тяжелых виртуальных частиц (см. рис. 1). СМ предсказывает, что вероятность распада B_s⁰ → μ⁺μ^–μ⁺μ^– меньше 10^–10, а B⁰ → μ⁺μ^–μ⁺μ^– меньше 4×10^–12. Если в результате экспериментальных поисков будет установлено, что такие распады протекают более интенсивно, это будет служить указанием на наличие эффектов, выходящих за рамки СМ.

В новой работе физики проанализировали всю доступную статистику, набранную в ходе двух первых этапов работы БАК. Отбор событий-кандидатов осуществлялся при помощи мультивариантного метода BDT (англ. boosting decision trees), который позволяет учитывать корреляции между переменными, по которым осуществляется выделение сигнала. Эффективность такого отбора можно проконтролировать. Дело в том, что если B_s⁰-мезон распался в адронные резонансы по каналу B_s⁰ → J/ψφ, то продукты такого распада могут сами распасться в пары мюонов. Вероятность цепочки таких процесса во много раз больше, чем вероятность прямых распадов B_(s)⁰ → μ⁺μ^–μ⁺μ^–. При этом вклад канала B_s⁰ → J/ψφ → μ⁺μ^–μ⁺μ^–, во-первых, известен, так как известны вероятности соответствующих подпроцессов, а, во-вторых, легко отделяется от вклада нерезонансных каналов (по областям масс пар мюонов). Пик, соответствующий калибровочному процессу, хорошо виден в массовом спектре (см. левую часть рис. 2). В спектре, в котором осуществлялся поиск редких распадов, наблюдалось всего пять событий-кандидатов, соответствующих ожидаемому вкладу фона случайных совпадений (см. правую часть рис. 2).

Проведенный учет эффективностей регистрации позволил установить верхние пределы вероятности рассматриваемых распадов. Так, при доверительной вероятности 95%, вероятность процесса B_s⁰ → μ⁺μ^–μ⁺μ^– не превышает 8.6×10^–10, а для B⁰ → μ⁺μ^–μ⁺μ^– она меньше 1.8×10^–10. Эта работа стала 600-й публикацией коллаборации. Соавтором каждой статьи, выпущенной LHCb, являются сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ.

Выполнение такого экспериментального поиска было бы невозможно без стабильной работы Мюонной системы эксперимента. До ноября 2021 года руководителем группы физиков нашего Института, участвующих в этом международном эксперименте, являлся выдающийся ученый, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ Алексей Алексеевич Воробьев. Он являлся одним из основателей эксперимента, ученым, предложившим концепцию Мюонного детектора LHCb. Под его руководством, система, предназначенная для регистрации мюонов, была разработана, создана, введена в эксплуатацию и успешно работала в течении обоих экспериментальных сеансов БАК. Коллаборация LHCb посвятило статью по поискам редких распадов B_s⁰-и B⁰-мезонов памяти Алексея Алексеевича.