Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Новости LHC
Мониторы LHC
Результаты, полученные на LHC
LHC в работе
Устройство и задачи LHC
LHC: ключевые факты
Устройство LHC
Зачем вообще нужен LHC?
Задачи, стоящие перед LHC
Изучение свойств адронов
Изучение адронной спектроскопии
Изучение адронных распадов
Поиск хиггсовского бозона на LHC
Программа по изучению топ-кварка
Поиск суперсимметрии на LHC
Проверка экзотических теорий
Изучение ядерных столкновений
Безопасность экспериментов на LHC
Толковый словарик журналистских штампов
Физика элементарных частиц
Галерея
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Архив журнала «Химия и жизнь» за 40 лет!

На 4 CD или 1 DVD





Главная / LHC / Устройство и задачи LHC / Задачи, стоящие перед LHC / Изучение свойств адронов / Изучение адронных распадов

Изучение адронных распадов

Некоторая терминология

Как и любые другие нестабильные частицы, адроны распадаются. В зависимости от массы и типа адрона картина его распада может быть самой разной и столь же разным может быть физический процесс, вызвавший распад. Поэтому за словами «Изучение адронных распадов» скрывается не одна, а сразу несколько научных задач из разных областей физики элементарных частиц, которые и предстоит решать Большому адронному коллайдеру.

Каждый тип распада называется каналом распада (или модой распада), и таких каналов у каждой частицы может быть очень много. Когда частица рождается, то невозможно предсказать наверняка, по какому каналу она распадется; такая неопределенность — фундаментальное свойство квантовой механики. Всё, что можно сказать, это с какой вероятностью она распадется по тому или иному каналу. Эту вероятность можно сосчитать теоретически и можно измерить в эксперименте, повторяя процесс рождения и распада много раз и подсчитывая количество событий с нужным распадом.

Для примерной привязки к типу взаимодействий принято выделять следующие типы распадов:

  • адронные распады (они же нелептонные распады): продуктами распада являются другие адроны;
  • лептонные распады: продуктами распада являются лептоны;
  • полулептонные распады: среди продуктов распада есть и лептоны, и адроны;
  • радиационные распады: любой распад, сопровождающийся излучением фотона высокой энергии.

Если адронный распад идет без изменения кваркового аромата, то он обычно вызван чистой физикой сильных взаимодействий (или изредка — электромагнитными явлениями). Если аромат изменяется, то его фундаментальной причиной является слабое взаимодействие, хотя и адронная физика, конечно, тоже влияет на свойства распада. То же касается лептонных и полулептонных распадов, нужно лишь проверить, сохраняется ли суммарный кварковый аромат. Например, распад J/ψ → μ+μ идет без изменения суммарного аромата, поскольку внутри J/ψ-мезона (кварковая структура c-анти-c) сидит очарованный кварк и точно такой же антикварк, и их ароматы компенсируются. Поэтому этот распад не требует участия слабых взаимодействий, а может идти за счет однофотонной аннигиляции. Зато распад Bs → μ+μ неизбежно включает слабые взаимодействия (рис. 1), поскольку внутри Bs-мезона находится несимметричная кварковая комбинация s-анти-b, а значит, кварковый аромат этого мезона ненулевой. И наконец, распады адронов могут быть вызваны новыми гипотетическими частицами, силами и прочими эффектами, выходящими за пределы Стандартной модели. Именно поэтому изучение адронных распадов (и в особенности редких распадов) — это один из методов поиска Новой физики.

Рис. 1. Распад Bs-мезона (s-анти-b) на μ+μ–-пару в рамках Стандартной модели идет через слабое взаимодействие

Рис. 1. Распад Bs-мезона (s-анти-b) на μ+μ-пару в рамках Стандартной модели идет через слабое взаимодействие (W- и Z-бозоны). Изображение с сайта resonaances.blogspot.com

В этом классе задач физиков интересуют распады за счет слабого взаимодействия или Новой физики. Чисто адронные процессы относятся к задачам адронной спектроскопии.

Поиск и изучение редких распадов

Для поиска эффектов Новой физики очень подходят редкие распады адронов. Если какой-то процесс очень редкий, то это значит, что в Стандартной модели есть некое препятствие для этого процесса. Оно вполне может быть не универсальным, а специфичным именно для Стандартной модели, и может уже не выполняться в моделях Новой физики. Поэтому именно в редких распадах эффекты Новой физики могут проступать очень контрастно на фоне стандартных эффектов. Если окажется, что какой-то редкий распад существенно усилен по сравнению с предсказанием Стандартной модели, это будет долгожданным прямым указанием на Новую физику.

Редкие распады можно условно отклассифицировать по степени их редкости. Просто «редкими» можно назвать распады, которые хоть и имеют маленькую вероятность (обычно намного меньше одной тысячной), но всё равно достаточно хорошо наблюдаются в эксперименте и позволяют набрать большую статистику. «Сверхредкими» можно назвать распады, само обнаружение которых представляет существенную трудность (см. пример ниже). Наконец, особняком стоят «запрещенные» распады — это те, вероятность которых в Стандартной модели исчезающе мала или равна нулю. В соответствии с этой классификацией, задачей LHC является:

  • В случае редкого распада — аккуратно измерить его вероятность и тщательно изучить его свойства (угловые распределения, поляризацию и т. п.). Сравнивая эти величины с теоретическими предсказаниями, можно пытаться найти отличия от Стандартной модели.
  • В случае сверхредкого распада — доказать его существование и приблизительно измерить его вероятность. Если отличие от теоретических ожиданий будет сильным, то даже небольшая статистика событий приведет к важному научному результату.
  • Наконец, в случае запрещенных распадов — убедиться, что этих распадов по-прежнему не видно и установить улучшенные ограничения сверху на их вероятности. Такой результат, как правило, накладывает более жесткие ограничения на различные модели Новой физики, в рамках которых эти процессы могли бы происходить. Ну а если результат поисков будет положительным, то надежная регистрация даже одного-единственного четко доказанного события станет серьезным открытием.

Надо сказать, что поиском и изучением редких распадов адронов физики занимаются уже давным давно, как на адронных коллайдерах, так и на «B-фабриках» — специальных электрон-позитронных коллайдерах, оптимизированных для рождения прелестных мезонов. Поэтому LHC тут будет новым, но далеко не первым игроком. Уже более десятилетия работает специальная группа HFAG, которая анализирует данные по распадам, поступающие с нескольких коллайдеров, и сводит их в единое число. На их веб-сайте в удобном для изучения виде представлена вся полученная ими информация с 2002 года, в том числе и по редким распадам. Сводки этой группы по состоянию на начало 2010 года характеризуют состояние этой области исследования к началу полноценной работы Большого адронного коллайдера. Для примера на рис. 2 приведены измеренные значения и ограничения сверху на разнообразные лептонные и полулептонные распады нейтральных и заряженных B-мезонов.

Рис. 2. Сводка экспериментальных результатов коллабораций CDF, Belle, и BaBar по лептонным и полулептонным распадам B-мезонов по состоянию на апрель 2012 года, а также их усредненные значения, найденные группой HFAG

Рис. 2. Сводка экспериментальных результатов коллабораций CDF, Belle, и BaBar по лептонным и полулептонным распадам B-мезонов по состоянию на апрель 2012 года, а также их усредненные значения (показаны черным цветом), найденные группой HFAG. Вероятность здесь выражена в миллионых долях

Сверхредкий распад B(s) → μ+μ

Хотя редкие распады есть у разных адронов, наиболее богатыми на возможности и потенциальные открытия являются распады B-мезонов. Среди них выделяются лептонные распады нейтральных мезонов B и Bs, но интересны и многочисленные полулептонные и некоторые адронные распады B, Bs, и их заряженного собрата B±.

Среди всех редких распадов B-мезонов наибольшее внмание приковано к лептонным распадам Bs → μ+μ и B → μ+μ. В рамках Стандартной модели их вероятность очень мала, но всё же находится в пределах досягаемости: примерно 3,2·10–9 для Bs-мезона и 10–10 для B-мезона. За этим распадом физики охотятся уже почти 30 лет; на рис. 3 показана история поисков этого распада в экспериментах на предыдущих ускорителях. До регистрации этих распадов осталось сделать последний рывок, и Большому адронному коллайдеру он вполне по силам.

Рис. 3. История поисков лептонного распада B-мезона (красный цвет) и Bs-мезона (синий цвет)

Рис. 3. История поисков лептонного распада B-мезона (красный цвет) и Bs-мезона (синий цвет). Символами показаны верхние ограничения на вероятность этого распада, полученные в разных экспериментах. Горизонтальными линиями отмечены предсказания Стандартной модели. Адаптированное изображение со страницы CMS B-physics results

Такое пристальное внимание к этому распаду связано не только с тем, что он очень очень слаб (и для этого в Стандартной модели есть сразу несколько причин), но и с его резким усилением в некоторых суперсимметричных моделях. Более того, теоретический анализ показывает, что некоторые разновидности суперсимметрии проще открыть именно в этом распаде, нежели в прямых поисках суперсимметричных частиц. Однако для этого экспериментаторам потребуется не только зарегистрировать этот распад и измерить его вероятность, но и убедиться, что она значительно отличается от предсказаний Стандартной модели.

Дополнительные ссылки:

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия