Физики коллаборации LHCb обнаружили признаки нового отклонения от Стандартной модели в лептонной универсальности. Аномалия проявляется в распадах прелестных нейтральных мезонов — двухкварковых частиц, состоящих из прелестного антикварка и нижнего кварка. Статистическая значимость находки пока недостаточна для заявления об открытии, однако описано уже несколько подобных нарушений. Если аномалия подтвердится статистически, то она укажет на однозначное существование физики за пределами Стандартной модели, например, на новый класс частиц — лептокварки. О находке ученые рассказали на семинаре 18 апреля и всего за сутки физики-теоретики уже опубликовали шесть препринтов с анализом результатов. Кратко об этом сообщает Nature.
Стандартная модель — основная теория, описывающая существующие элементарные частицы и взаимодействия, в которые они вступают. Так, предсказанием Стандартной модели был бозон Хиггса, существование которого удалось подтвердить в 2012 году. Однако есть ряд наблюдений, которые невозможно объяснить в рамках теории, например, преобладание во Вселенной материи над антиматерией. Это указывает на существование другой физической теории, расширяющей Стандартную модель.
Поисками этой теории, которую ученые называют Новой физикой, занимается несколько международных экспериментов. Крупнейшие из них — эксперименты Большого адронного коллайдера: ATLAS, CMS, LHCb и ALICE. Это огромные и чрезвычайно точные детекторы, исследующие «осколки» от столкновений протонов высоких энергий. В таких столкновениях могут рождаться любые частицы (если энергия столкновения превышает полную энергию этой частицы). Многие из них — короткоживущие и практически сразу распадаются. Эти процессы распадов очень хорошо описываются Стандартной моделью, поэтому, если какие-то частицы распадаются чаще, чем это предсказывает теория, это может стать указанием на Новую физику.
Специализация LHCb — прелестные частицы (частицы, содержащие прелестные кварки). Подробнее об этом эксперименте можно прочитать в нашем интервью с его руководителями. К примеру, исследователи измеряют вероятности чрезвычайно редких распадов: таких, что лишь одна из миллиарда частиц последует такому пути.
Новый доклад посвящен проблеме лептонной универсальности. Лептонами называют два класса частиц — нейтрино и аналоги электронов. Всего есть шесть лептонов — электрон, мюон, тау-частица, а также электронное, мюонное и тау-нейтрино. Кроме того, у каждого из них есть соответствующая античастица. Лептонная универсальность означает, что все лептоны одинаково, по одному и тому же механизму, участвуют в слабом взаимодействии (одном из четырех фундаментальных взаимодействий). Это единственное взаимодействие, изменяющее аромат кварков.
У лептонной универсальности есть одно важное для эксперимента следствие. Если в каком-то процессе рождаются бозоны слабого взаимодействия, то их распад на лептоны должен протекать с примерно одинаковой вероятностью — вне зависимости от того, распадаются они на электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино или тау и тау-нейтрино. Коррективы в эти вероятности вносит только сильно отличающаяся масса лептонов разных поколений: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а тау — в 3,5 тысячи раз.
Тесты лептонной универсальности устроены следующим образом. Исследователи выбирают два распада частицы, в одном из которых участвуют лептоны одного типа, а другой — полностью идентичный, но с лептонами другого типа. Затем для каждого из них определяется вероятность. Отношение этих вероятностей должно быть примерно единицей (с точностью до понятных физикам поправок на массы частиц). Эксперименты BaBar (США) и Belle (Япония) уже проводили подобные измерения и обнаружили отклонения от предсказаний Стандартной модели: распады B-мезонов на тау-частицы происходили чаще, чем ожидалось. Причем, в случае BaBar статистическая значимость этого отклонения составила 3,4 сигма. Этого все еще недостаточно для того, чтобы заявить об открытии, но это наиболее сильное расхождение из наблюдаемых.
Позже к измерениям присоединилась LHCb. Интересно, что изначально эксперимент не был предназначен для подобных измерений. Физики также подтвердили аномалии в двух каналах распада, но их статистическая значимость также не достигает требуемых пяти сигма. В распадах B+-мезонов на каоны и лептоны отклонение от Стандартной модели составляет 2,6 стандартного отклонения, в распадах B-мезонов на D-мезоны и лептон-нейтринную пару — 2,1 стандартного отклонения.
На семинаре физики рассказали об исследованиях новой группы распадов: нейтрального B0-мезона на каон и электрон/позитронную пару или мюон/антимюонную пару. В этом распаде происходит превращение прелестного кварка в странный кварк с рождением бозона слабого взаимодействия. Затем бозон распадается на лептоны.
Всего исследователи отобрали примерно по сотне событий каждого типа в данных Run 1 (2009-2013). Оказалось, что распад на электроны происходит чаще, чем на мюоны — статистическая значимость результата колеблется от 2,2 до 2,5 сигма.
Объяснить отклонение от предсказаний Стандартной модели можно несколькими способами. Это объяснение требует введения новой частицы, по-разному взаимодействующей с различными лептонами. Представители LHCb упоминают две таких частицы: тяжелый аналог Z-бозона или лептокварк. Последняя частица — бозон, взаимодействующий и с кварками и с лептонами.
Несмотря на небольшую статистическую значимость результата (вероятность того, что это случайная статистическая флуктуация несколько процентов) он вызывал большой интерес теоретиков. Подобные нарушения лептонной универсальности фиксируются уже в нескольких каналах распада, причем разные эксперименты «видят» отклонения в одну и ту же сторону. Если объединить статистику разных коллабораций, то отклонения достигают четырех сигма.
По словам Гая Уилкинсона, руководителя эксперимента LHCb, данных, собранных детектором, достаточно, чтобы определить, является ли отклонение статистической флуктуацией, или же то реальный эффект, указывающий на Новую физику. На семинаре коллаборация рассказала об анализе данных за первые четыре года работы ускорителя. Обработка данных Run 2 все еще идет.
В декабре 2015 года два других эксперимента БАК — CMS и ATLAS — рассказали о намеке на новую частицу за пределами Стандартной модели с энергией 750 гигаэлектронвольт. Локальная статистическая значимость пика, обнаруженного учеными, достигала 3,4 сигма. Однако с набором статистики столкновений Run 2 пик пропал — оказалось, что многообещающий намек, спровоцировавший возникновение более пяти сотен статей, был простой флуктуацией.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение