Поиск Новой физики в распадах Bs0-мезонов

Четверг, 11 июля 2019

Указания на новые фундаментальные частицы, которых нет в Стандартной модели (СМ), можно искать, исследуя процессы, для которых СМ дает точные предсказания. Одним из таких процессов является распад Bs0-мезонов. Недавно эксперимент LHCb, работающий на встречных пучках Большого адронного коллайдера (БАК), представил новые измерения эффектов CP-нарушения в распадах Bs0→J/ψK+K. Увы, указаний на Новую физику (НФ) не было обнаружено.

Большие эксперименты на БАК – ATLAS и CMS – нацелены на поиск прямого рождения частиц НФ. Ожидается, что масса этих частиц будет превышать сотни гигаэлектронвольт. ATLAS и CMS ищут либо распады таких частиц, либо их рождение и вылет из чувствительного объема детектора без взаимодействия (поиск событий с потерянной энергий). Существуют и косвенные методы поиска НФ. Нужно измерить характеристики процессов, которые точно рассчитываются в рамках СМ, и, если измеренная величина не совпадет с предсказанной, то это может служить указанием на проявление тяжелых частиц. Эти частицы возникают виртуально, внося свой вклад в полную амплитуду, а значит в вероятность течения процесса. Исследование распадов частиц, содержащих тяжелые c и b кварки, – хороший полигон для такого рода исследований.

Прелестный b-кварк – массивная частица, по своей массе более чем в четыре раза превосходящая ядро атома водорода (протон). Большая масса очень упрощает теоретический расчет распадов прелестных мезонов – частиц, состоящих из b-кварка и какого-то другого антикварка (или наоборот, анти-b-кварка и кварка). При этом физиков очень интересует различие поведения мезонов и антимезонов, то есть эффекты нарушения CP-четности. В кварковом секторе СМ эти эффекты описываются CР-нарушающей фазой матрицы кваркового смешивания – матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (ККМ-матрица). Интенсивность таких эффектов хорошо предсказывается, а значит, такие процессы подходят для поиска новых частиц.

В новой работе LHCb исследовался распад Bs0→J/ψK+K (мезон J/ψ восстанавливался по его распаду на пару μ+μ). Видно, что конечное состояние CP-четное, то есть, если мы заменим частицы на античастицы, и наоборот (μ+↔ μ и K+↔ K), то оно останется прежним: μ+μK+K. Если вероятности распадов Bs0 и анти-Bs0 мезонов по какому-то каналу разные, то говорят о прямом CP-нарушении. Именно такой тип нарушения был открыт этой весной экспериментом LHCb для очарованных мезонов.

Частица Bs0 электрически нейтральна и может самопроизвольно превращаться в свою античастицу. Примеры диаграмм, описывающих такой процесс, представлены на рисунке 1. Если вероятность превращения частицы в античастицу не равна вероятности обратного процесса, то говорят о косвенном нарушении CP-инвариантности при смешивании электрически-нейтральных мезонов.

Нарушение СР-инвариантности может также возникать в результате интерференции между амплитудой прямого распада в конечное состояние с определенной CP-четностью и с амплитудой процессов смешивания и последующего распада в то же самое конечное состояние. Этот (третий) тип CP-нарушения характеризуется тем, что поправки на сильные взаимодействия, затрудняющие анализ, оказываются очень малы и становится возможным экспериментальное измерение величины, для которых СМ дает четкие предсказания. Так, в распаде Bs0→J/ψK+K должна проявлять себя ненулевая CP-нарушающая фаза φs, которая в СМ зависит только от элементов ККМ-матрицы и должна быть равна – 0,037 ± 0,001. Её и измеряли физики LHCb.

Для того чтобы измерять эффекты, возникающие при смешивании нейтральных мезонов, необходимо уметь определять, что родилось изначально: частица или античастица. Это определение экспериментаторы называют таггированием (англ., tag – помечать). В работе LHCb использовалось два метода. Первый метод опирается на то, что прелестные адроны в протон-протонных в основном рождаются парами. Если в добавок к реконструированному Bs0 мезону зафиксировать распад второй прелестной частицы, то, зная её аромат, можно узнать, что изначально родилось – Bs0 или анти-Bs0. Для определения использовались так называемые полулептонные распады. Электрический заряд мюона из распада второй частицы фиксирует, кварк или антикварк входил в её состав.

Второй метод опирается на то, что в процессе адронизации (когда из кварка, родившегося в протон-протонном взаимодействии, образуется несколько адронов) в паре с Bs0 часто возникают заряженные K мезоны. Это происходит в силу того, что процесс адронизации управляется сильным взаимодействием, в котором дополнительные кварки появляются парами – кварк-антикварк. Странный кварк часто является парой с странному кварку, входящему в Bs0. Для таких Bs0K-пар заряд K определяет аромат Bs0.

То, что таггинг работает достаточно эффективно, видно из рисунка 2, на котором показаны осцилляции Bs0 мезонов, зарегистрированные в Ds-π+ канале распада. Процесс превращения между Bs0 и анти-Bs0 описывается уравнениями колебаний. Хорошо видно, что период таких колебаний меньше пикосекунды.

Для определения фазы φs, а также других параметров, характеризующих распад Bs0→J/ψK+K, нужно провести пособытийный анализ углов разлета образовавших частиц в зависимости от времени, прошедшего с момента образования Bs0 мезона. В новой работе экспериментаторы обработали статистику, набранную в 2015 и 2016 годах, когда энергия взаимодействующих протонов составляла 13 ТэВ (интегральная светимость 1.9 фб–1). За это время было зафиксировано примерно 117000 распадов Bs0→J/ψK+K. Это немного больше статистики, набранной в 2011-12 гг. для энергий 7 и 8 ТэВ – 96000 распадов при светимости 3 фб–1. Увеличение скорости набора данных связано с увеличением сечения рождения прелестных частиц с ростом энергии взаимодействия протонов. Если объединить результаты исследований Bs0→J/ψK+K, то φs, = – 0,080 ± 0,032.

Данные, полученные из распадов Bs0→J/ψK+K, были объединены с результатами других исследований. Результат этого объединения приведен на рисунке 3. Суммарный результат для φs составляет 0,041 ± 0,025. Видно, что погрешности экспериментальных измерений в 25 раз превосходят погрешности теоретических расчетов, а, значит, исследования будут продолжены.

В заключение следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента экспериментов на БАК. Сотрудники Института внесли огромный вклад в разработку и создание, а также во ввод в эксплуатацию и обслуживание системы детектирования мюонов LHCb. Высокая эффективность работы мюонной системы позволила хорошо зарегистрировать распады J/ψ→μ+μ, а также обеспечила возможность полулептонного таггирования аромата Bs0-мезона.

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