Ілюстрація одного з варіантів розпаду дивного нейтрального B-мезону в Компактному мюонному соленоїді (CMS). Крім мюона і антимюону, видно джети, утворені побічними частинками, які виникають при народженні мезону.
Великий адронний колайдер зовсім недавно відновив свою роботу після дворічної паузи, але зібрані під час його першої робочої сесії дані продовжують приносити плоди. У журналі Nature опубліковані результати спостереження надзвичайно рідкісного каналу розпаду нейтральних B-мезонів: на позитивний і негативний мюони. Короткі підсумки відкриття такі: Стандартна модель як і раніше актуальна, а на її можливі розширення накладено деякі обмеження.
Ми нещодавно згадували надрідкісний розпад B + ‑, розповідаючи про сучасні проблеми фізики елементарних частинок. Раніше вчені вже фіксували такі розпади, проте їх кількість не дозволяла отримати оцінки з необхідною точністю. Тепер же даних накопичилося достатньо для того, щоб зробити конкретні висновки.
Стандартна модель описує світ елементарних частинок і три фундаментальних взаємодії: сильний, слабкий і електромагнітний. Як і будь-яка повноцінна наукова теорія, Стандартна модель дозволяє передбачати результати ще не проведених експериментів. Зокрема, вона дає можливість розрахувати ймовірності різних розпадів.
Особливий інтерес представляють розпади нейтрального дивного B-мезону B0
s і нейтрального B-мезона B0 на два мюони: + і - - більш важкі аналоги електрону і позитрона. Справа в тому, в різних розширеннях Стандартної моделі, пропонованих теоретиками, ймовірність кожного з цих розпадів часто відрізняється від ймовірностей, передбачуваних Стандартною моделлю.
Згідно Стандартної моделі в її базовій формі, ймовірність розпаду B0
s на мюон-антимюон становить 4· 10 − 9, або 4 розпади на мільярд народжень мезону. Для B0 ширина каналу розпаду на мюон-антимюон ще менше: 10 − 10, або 1 з десяти мільярдів.
Щоб зібрати достатньо статистики, співробітники колаборацій CMS і LHCb об'єднали наявні у них дані, отримані на однойменних детекторах Великого адронного колайдера. В результаті інформація про ширину мюонного каналу розпаду для B-мезону підтверджена з достовірністю в три стандартних відхилення, а для дивного B-мезону - в шість. І отримані дані виявилися відповідно до передбачень, що виводяться зі Стандартної моделі.
Розпад нейтральних B-мезонів на мюон і антимюон був передбачений ще в середині 1980-х років, проте експериментальне підтвердження затягнулося на три десятки років. Складність полягала, перш за все, в тому, що B-мезони народжуються при дуже високих енергіях, і їх «масового виробництва» вдалося досягти лише на LHC. Крім того, вкрай низька ймовірність розпаду теж ускладнювала збір статистики. Нарешті, в силу своїх конструкційних особливостей детектори дають різний обсяг інформації: найбільше її збирається з LHCb, дещо відстоює Компактний мюонний соленоїд CMS, і значно менше даних надходить від детектора ATLAS.
Повідомлення про перші мюонні розпади B0
s оприлюднили 2012 року, а в липні 2013 року об'єднані дані з LHCb і CMS дозволили офіційно оголосити про виявлення мюонних розпадів обох мезонів. І ось зараз накопичено достатньо статистики, щоб зробити достовірну оцінку. Стандартна модель пророкує ймовірності (3,66 0,23)· 10 - 9 і (1,06 0,09)· 10 - 10. Різні варіанти розширення Стандартної моделі передбачають існування не виявлених в експериментах частинок. Деякі з цих частинок, якщо вони дійсно існують, створюють додаткові можливості для розпаду кожного з нейтральних B-мезонів на мюон і антимюон, і сумарна ширина цього каналу розпаду збільшується.
Виміряні результати в цілому задовольняють оцінками Стандартної моделі. Для дивного мезону ймовірність склала 2,8 + 0
,7 ‑ 0,6· 10 - 9, для B0 - 3,
9 + 1,6 ‑ 1,4· 10 - 10. Відмінність від передречених значень становить 2º, і це означає, що дані узгоджуються зі Стандартною моделлю. Оцінка ймовірностей мюонних розпадів нейтральних B-мезонів і експериментальні дані за підсумками першого циклу роботи прискорювача. Чорний хрест вказує найбільш ймовірні значення ширини каналів розпаду, SM - оцінка Стандартної моделі з зазначеною похибкою. По осі абсцис - ймовірність мюонногорозпаду
для B0s, по осі ординат - для B0.
Зокрема, результати експерименту означають, що на багато теорій, що розширюють Стандартну модель, накладені серйозні обмеження, і, фактично, від них доведеться відмовитися. Наприклад, ряд розширень передбачають наявність додаткових хіггсовських бозонів, але існування цих частинок повинно давати інші ймовірності мюонного розпаду. Опубліковані дані в певному сенсі розчаровують - Нової фізики в них побачити не вдалося. З іншого боку, Стандартна модель в черговий раз продемонструвала свою спроможність і, можна сказати, консервативність.
В ході другої сесії БАКу, під час якої він буде працювати з енергією зіткнень 14 ТЕВ, фізики розраховують поповнити статистику по мюонних розпадах B-мезонів. Частота народження цих частинок при подвоєній енергії повинна зрости приблизно вдвічі.
