Физики проверили лептонную универсальность

Понедельник, 26 августа 2019

Физики эксперимента BESIII впервые зафиксировали распад D+→τ+ντ и определили его вероятность. Это позволило проверить лептонную универсальность. Отношение вероятностей обнаруженного распада и распада D+→μ+νμ согласуется с предсказаниями Стандартной модели.

В Стандартную модель физики частиц (СМ) входит три поколения лептонов: первое поколение — электроны (e) и электронные нейтрино (νe); второе поколение — мюоны (µ) и мюонные нейтрино (νµ); третье поколение — тау-лептоны (τ) и тау-лептонные нейтрино (ντ).

С точки зрения теории разница в поведении между лептонами различных поколений обусловлена только различной массой этих частиц, а сами константы слабого и электромагнитного взаимодействий для них идентичны. Это правило получило название лептонной универсальности (ЛУ). Оно может быть нарушено в расширениях СМ, которые часто называют Новой физикой (НФ). Частицы НФ могут по-разному взаимодействовать с представителями разных поколений лептонов СМ, и самое главное, такое взаимодействие может также влиять и на вероятности распадов обыкновенных частиц СМ. Такое влияние может возникать потому что частицы НФ (даже если они очень массивные) могут появляться в промежуточных состояниях распада — распады «чувствуют» проявление виртуальных частиц. Проверка лептонной универсальности — одна из основных задач, стоящих перед экспериментаторами, является одним из косвенных методов поиска НФ.

Одним из хороших способов проверки ЛУ является изучение распадов частиц, содержащих тяжелые кварки (c или b). Поиск ведут в процессах двух типов: древесные распады; распады под действием нейтральных токов, изменяющих аромат.

Первые происходят с появлением в промежуточном состоянии W-бозонов, которые могут распадаться как на пару кварк-антикварк, так и на пару лептон и нейтрино из одного поколения. Для описания распадов второго типа в СМ нужно привлекать несколько уже известных массивных виртуальных частиц, поэтому вероятности таких распадов подавлены (относительно древесных). Примеры кварковых диаграмм, иллюстрирующих эти процессы, приведены на рисунке 1. Мы уже не раз писали о проверке ЛУ в распадах второго типа. Сегодня речь пойдет об открытии нового распада первого типа.

Физики, участвующие в эксперименте BESIII, который проводится в Китае на электрон-позитронном коллайдере BCEPII, искали и нашли распад D+→τ+ντ. В СМ отношение вероятности этого распада к вероятности распада D+→μ+νμ определяется лишь массами соответствующих лептонов и очарованного мезона, которые известны с очень хорошей точностью. Отношение этих вероятностей должно быть равно 2.67.

Трудность заключается в регистрации τ+. Дело в том, что время жизни этой частицы мало, а в её распадах возникает как минимум еще одно нейтрино, которое не может быть зафиксировано в коллайдерных экспериментах. Таким образом, оказываются «утерянными» два нейтрино и такие распады трудно идентифицировать. Электрон-позитронные коллайдеры имеют преимущество в таких поисках поскольку на них доминирует парное рождение D и анти-D мезонов.

Для поиска D+→τ+ντ в первую очередь полностью восстанавливался распад анти-D мезона: для этого использовалось шесть разных каналов распада. Таким образом, физики знали, что в этом событии должен быть и D-мезон. Затем отбирались только те событий, где в дополнение к анти-D мезону был лишь один трек. Он мог принадлежать заряженному пиону (π+) из распада τ+ на пион и тау-антинейтрино, или мюону из распада D+→μ+νμ. Далее, события-кандидаты разделялись на две категории: пионные, для которых отклик в калориметре детектора должен был быть относительно большим, и  мюонные.

Для пионной и мюонной категорий строились распределения квадрата недостающей массы, из которых извлекались вклады сигнальных и фоновых процессов (см. рисунок 2). Для пионной категории в диапазоне 0 < M2miss < 0.1 (ГэВ/c2)2 должны доминировать события распадов D+→τ+ντ.

Измеренная вероятность распада D+→τ+ντ составила (1.20 ± 0.24stat. ±0.12syst.)×10−3, а величины Rτ/μ= 3.21 ± 0.64stat. ± 0.43syst.,  что согласуется с предсказаниями СМ, базирующимися на принципе ЛУ.

Соавтором направленной в печать статьи, в которой описывается это измерение, является сотрудник НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ Андрей Викторович Саранцев.

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