Новое измерение коэффициентов матрицы кваркового смешивания преподнесло сюрприз

Вторник, 15 декабря 2020

Эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил о первом наблюдении канала распада Bs0Kμ+νμ и об измерении его относительной вероятности. Излеченное соотношение элементов матрицы кваркового смешивания |Vub| / |Vсb| делает актуальнее одну из загадок экспериментальной физики элементарных частиц.

В Стандартной модели физики частиц (СМ) коэффициенты матрицы кваркового смешивания (матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, ККМ-матрицы) входят в амплитуды переходов между кварками верхнего (u, c, t) и нижнего (d, s, b) типов, вызванных слабым взаимодействием. В начале года мы уже писали об измерении абсолютной величины одного из элементов этой матрицы и загадке, связанной с измерениями таких наблюдаемых. Кратко, |Vcb| и |Vub| могут быть измерены двумя путями: «эксклюзивным», когда используется один из многочисленных распадов b-адронов, и «инклюзивным», при которым все переходы bcμνμ измеряются «в навал». Результаты этих двух классов измерений подозрительно расходятся, причем «эксклюзивный» метод дает меньшей результат, чем «инклюзивный» и для |Vcb|, и для |Vub|. Измерения, выполненные для распадов Λb0pμνμ, чувствительны к отношению R = |Vub| / |Vcb|, однако, и они не вносят ясности в ответ на вопрос: «Какой тип измерений дает верный ответ?»

Недавно эксперимент LHCb объявил о новом способе измерения R. В архиве препринтов появилось статья, в которой экспериментаторы отчитываются об обнаружении распадов Bs0Kμ+νμ, которые могут быть использованы для получения ограничений на величину R. Идентификация таких распадов для прелестных мезонов, рожденных в результате взаимодействия протонов сверхвысоких энергий, затруднена, так как прямая регистрация нейтрино недоступна для коллайдерных экспериментов. Чтобы выделить этот распад, физики ищут такие события, в которых пара Kμ+ появилась не в точке pp-взаимодействия, а на некотором расстоянии от нее. Это является признаком рождения прелестных мезонов. Для выделения распадов типа Bs0Kμ+νμ проводится декомпозиция спектра по скорректированной массе события (mcorr). Зная направления вылета прелестной частицы, которое определяется вектором, направленным из точки взаимодействия протонов в точку пересечения восстановленных треков K и μ+, и компоненту импульса системы Kμ+, перпендикулярную этому направлению, можно слегка подправить распределение массы для Kμ+-пары, улучшив при этом «степень разделения» различных каналов распада. На рисунке 1 показано распределение событий по mcorr. Видно, что сигнал от распадов Bs0Kμ+νμ должен проявлять себя в диапазоне mcorr от 5 до 5.4 GeV/c2. Тщательно описав спектр, удается выделить долю сигнала распада, интересующего физиков.  Измеренная вероятность распада оказалась на уровне 10–4.

Наибольший интерес представляет отношение вероятности (RBF) этого впервые обнаруженного распада и вероятности распада Bs0Dsμ+νμ. Это соотношение можно записать в виде: RBFR2×FFK/FFD. Измерив его, можно попытаться извлечь соотношение элементов ККМ-матрицы. Проблема состоит в том, что в формулу входят так называемые форм-факторы, грубо говоря, поправки, возникающие из-за того, что в начальном и в конечном состоянии присутствуют адроны – частицы, испытывающие сильные взаимодействия. Поправку, учитывающую влияние сильного взаимодействия, можно рассчитать теоретически. Для этого существуют два подхода квантовой хромодинамики (КХД):

  • правила сумм квантовой хромодинамики на световом конусе (англ. light cone sum rule, LCSR),
  • численные («решеточные») вычисления КХД (англ. lattice QCD, LQCD).

Первый метод хорошо работает в области малых масс системы лептонов, а второй в области больших. Экспериментаторы разделили события на две категории по квадрату массы системы лептонов (q2) и применили к первой группе LCSR, а ко второй LQCD-метод. Полученные таким образом отношения коэффициентов матрицы кваркового смешивания (статистически) не согласуются между собой. Это хорошо видно из рисунка 2. Таким образом, либо допущена грубая экспериментальная ошибка, либо есть проблема в теоретических расчётах соотношений форм-факторов.

Сложившуюся экспериментальную загадку можно продемонстрировать, поместив в плоскость, образованную гипотетически возможными значениями |Vcb| и |Vub|, полосы, отображающие различные измерения этих элементов и их соотношений (см. рисунок 3). В идеале, если все измерения, а также лежащие в их основе теоретические расчеты, верны, то линии должны перекрываться около одной единственной точки, которой соответствуют истинные параметры СМ. Однако, видно, что такую точку, удовлетворяющую всем наблюдениям, найти невозможно. Это означает, что нужно дальше работать над разрешением этой загадки. Её решение приведет к уточнению наших знаний о фундаментальных параметрах СМ и, возможно, об описании сильного взаимодействия. Существует (пока очень-очень небольшая) надежда на то, что это расхождение результатов измерений – проявление каких-то еще неизвестных фундаментальных взаимодействий. Но, кажется, об этом говорить пока рано.

В заключение следует отметить, что новые измерения LHCb не были бы возможны без стабильной работы Мюонной системы спектрометра. В её разработку, создание, а также в поддержание её в рабочем состоянии в течение всех сеансов набора экспериментальных данных большой вклад внесли сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Они являются полноправными соавторами научной работы, направленной в один из ведущих реферируемых физических журналов.

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