Лептонная универсальность наносит ответный удар
Среда, 28 декабря 2022Под занавес 2022 года эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), представил долгожданные результаты исследований по поиску нарушения принципа лептонной универсальности для распадов B+,0→ K+,*0l+l– (где l = µ, e). Исследования выполнены на всей статистике, накопленной в ходе первого и второго этапа работы БАК. Полученные результаты все-таки оказались в согласии с предсказаниями Стандартной Модели физики частиц (СМ).
Лептонная универсальность является одним из свойств СМ. В рамках этой теории разница между лептонами различных поколений, то есть между электронами (e), мюонами (µ) и тау-лептонами (τ), обусловлена только различной массой этих частиц, а интенсивности слабого и электромагнитного взаимодействий для них идентичны. Новые фундаментальные частицы и взаимодействия необязательно подчиняются этому принципу, поэтому экспериментальное обнаружение его нарушения являлось бы ярким косвенным свидетельством существования Новой физики.
Эксперимент LHCb проверяет выполнение принципа лептонной универсальности в распадах прелестных частиц. Наблюдаемыми величинами, с которыми были связаны основные надежды физиков, являются отношения вероятностей распада с испусканием мюонной пары, к вероятностям таких же распадов, где в конечном состоянии образуется электрон-позитронные пары:
RK+ = BR(B+ → K+µ+µ–) / BR(B+ → K+e+e–),
RK* = BR(B+ → K*0µ+µ–) / BR(B0 → K*0e+e–).
Предыдущие результаты выявили намеки на отклонения от лептонной универсальности, ни одно из которых не было достаточно статистически значимым, чтобы представлять собой явные признаки Новой физики сами по себе. Однако наблюдаемая совокупная картина отклонений от предсказаний СМ могла указывать на существование Новой физики. Под занавес 2022 года LHCb выпустила две новые статьи с окончательными результатами для отношений RK+ и RK*.
Анализ проводился путем сравнения количества распадов B+ и B0 мезонов с участием мюонов или электронов и накопленных вокруг реконструированной массы прелестных частиц. Пик, представляющий распад с электронами, шире, чем пик с участием мюонов, поскольку электроны часто излучают фотоны при прохождении сквозь вещества, что приводит к менее точной реконструкции массы, а, следовательно, к большему фоновому вкладу Восстановленные распределения масс прелестных частиц для распадов с электронами показаны на рисунке 1.
Важными аспектами представленного анализа являются улучшения в идентификации частиц, особенно в возможной ошибочной идентификации адронов как электронов в распадах красивых частиц. Вклад этих фонов был тщательно изучен и включен в окончательный результат — см. маленькие зеленые пики, помеченные ошибочной идентификацией на рисунке 1.
В результате анализа были получены значения RK+ и RK* для двух диапазонов квадратов масс, q2, мюонных и электронных пар: 0.1 < q2 < 1.1 ГэВ2 – низкий и 1.1 < q2 < 6.0 ГэВ2 – центральный. Экспериментально полученные значения, а также предсказания СМ, основанные на принципе лептонной универсальности, приведены на рисунке 2. Наблюдается общее совпадение на уровне 0.2 стандартных отклонения. Числовые значения RK+ и RK* также указаны на графике.
Полученные результаты в очередной раз преподнесли важный урок – в экспериментальной физике частиц эффекты на уровне трёх стандартных отклонений могут исчезнуть с увеличением набранной статистики и уточнением систематических погрешностей измерения.
Подробнее об этих экспериментальных результатах можно узнать из материалов семинара ЦЕРН, прошедшего 20 декабря 2022 г., статей LHCb, направленных в печать (1, 2), а также из новостных заметок на сайте LHCb, ЦЕРН, статье CERN Courier.
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 «Курчатовский институт» – ПИЯФ участвуют в проведении эксперимента, обеспечивая стабильную работу мюонной системы LHCb.