Физики подводят промежуточные итоги изучения распадов B-мезонов

Величины R(D) и R(D*)

Рис. 1. Величины R(D) и R(D*), характеризующие кварковое превращение b → c в сопровождении разных лептонных пар. Синие и зеленые точки — экспериментальные данные, красная точка и салатовая полоса — их усреднение группой HFAG, красная точка и сиреневая полоса — теоретические предсказания. Подробности про это расхождение эксперимента и теории см. на странице Нарушение лептонной универсальности в распаде B → Dlν. Рисунок из статьи Y. Amhis et al., 2016. Averages of b-hadron, c-hadron, and τ-lepton properties as of summer 2016

Главная задача современной физики элементарных частиц — найти четкие экспериментальные указания на Новую физику — теорию, которая должна прийти на смену Стандартной модели. Такие отклонения ищут на Большом адронном коллайдере двумя способами. Первый — это метод «грубой силы», когда сталкиваются частицы максимально достижимой энергии и, как надеются физики, в них родятся новые частицы и проявят себя хорошо заметным образом. Поиск всплесков на графиках в области масс порядка 1 ТэВ — типичный пример таких исследований. Второй способ — это путь точных измерений тонких эффектов. Здесь энергия процесса может быть небольшой, и, как следствие, эффекты от новых частиц или взаимодействий будут очень косвенными и слабыми. Однако для редких процессов, которые и так очень слабы в рамках Стандартной модели, вклад Новой физики можно будет заметить с помощью очень точных измерений.

Самый интересный класс таких процессов — это распады B-мезонов, настоящий кладезь эффектов для всестороннего изучения. Удобство B-мезонов в том, что в их состав входит тяжелый b-кварк. За счет слабого взаимодействия он может распадаться на любые более легкие кварки: u, d, s, c. Каждое из этих превращений происходит со своей вероятностью и обладает своими особенностями. Большинство теорий Новой физики предсказывает те или иные отклонения в каком-либо из этих распадов, которые потенциально могут быть обнаружимы детекторами BaBar, Belle и LHCb, заточенными под изучение распадов B-мезонов. Кроме того, тяжелый b-кварк отчасти упрощает теоретический расчет распадов.

За последние годы на LHC и на других коллайдерах было обнаружено немало отклонений из обеих групп. К сожалению, большинство высокоэнергетических аномалий не выдержало проверки временем и не подтвердилось в 2016 году. По состоянию на январь 2017 года список «загадок коллайдера» заметно поредел в высокоэнергетической области в сравнении с таким же списком годичной давности. Но отклонения, найденные в распадах B-мезонов, по-прежнему держатся. Их можно условно классифицировать по тому, в какой кварк превращается b-кварк:

Причина «долгожительства» этих отклонений — в них самих, в том, что выцарапывать эти результаты надо с помощью кропотливого анализа, который может длиться годами. Именно поэтому коллаборация LHCb в течение 2015–2016 годов накапливала данные и не торопилась с обновлением результатов. Есть и вторая особенность: отличие здесь сугубо численное, совсем не бросающееся в глаза. Чтобы заявить об отклонении, надо не только тщательно измерить распад в эксперименте, но и максимально точно сосчитать его теоретически, что само по себе очень сложно.

Тем не менее ожидается, что в 2017 году LHCb представит первые данные по этим загадкам на основе сеанса Run 2. В ожидании обновлений физики подводят промежуточный итог всей этой области исследований, сводя воедино результаты последних лет.

Так, на днях в журнале Modern Physics Letters A была опубликована обзорная статья Джулии Рикьярди (Giulia Ricciardi) Semileptonic and leptonic B decays, circa 2016 (см. также ее препринт). В ней дается сводка результатов относительно кварковых распадов b → c и b → u, приводятся данные разных экспериментов и предсказания разных теоретических групп. Подтверждаются перечисленные выше отклонения, а также указывается, что крепнет расхождение в вероятности перехода b → c между теоретическим расчетом на основе КХД на решетке и экспериментальными измерениями. Еще более сжатая сводка всех этих данных приводится в недавнем докладе этого же автора Tensions in the flavour sector.

В конце декабря рабочая группа HFAG (Heavy Flavor Averaging Group) завершила очередное усреднение всех экспериментальных результатов по свойствам B-мезонов, D-мезонов и тау-лептона. Почти 500-страничный отчет группы появился в архиве препринтов; эти же данные в виде отдельных таблиц и графиков приведены на сайте группы. На рисунке выше показан один из множества результатов этой работы: обновленный статус подозрения на нарушение лептонной универсальности в распаде «b → c плюс лептонная пара». Сравнение усредненных данных с теоретическими предсказаниями по-прежнему велико и достигает 3,9σ.

В заключение хочется подчеркнуть важный момент, который относится не только к этой конкретной теме, но и вообще к поискам Новой физики на коллайдерах. Читателю, привыкшему к громким, порой сенсационным сообщениями СМИ, такой неторопливый ход исследований, такой уровень осторожности в заявлениях и неопределенности в результатах может показаться не просто скучным, а даже «ненаучным». Какие-то намеки появляются в данных, муссируются три года, а потом исчезают — как тут не вспомнить пресловутых «британских ученых»?! Где громкие открытия? Где однозначные достоверные выводы? Почему топчемся на месте?!

Между тем, именно вот эта работа и есть честная современная физика элементарных частиц. Громкое открытие — это столь же редкое событие, как в футболе гол, забитый в высоком прыжке ударом через себя далеко из-за пределов штрафной площадки. Да, такое иногда случается и запоминается очень ярко. Но садиться смотреть футбол, ожидая от любимой футбольной команды исключительно такой перформанс и ничего более приземленного, было бы крайне странно. Всё же успешное выступление команды складывается из множества навыков, мелких деталей, отточенных движений, каждое из которых может показаться чем-то неинтересным.

Так же и в физике частиц. Основная работа — это выцарапывание всех результатов из данных эксперимента, до которых мы можем дотянуться. Подавляющее большинство из них откровенно скучны, некоторые любопытны, но потом закрываются новыми данными. Это нормально, это и есть рабочий процесс. Именно такой скрупулезный анализ нужен для того, чтобы рано или поздно случилось то самое громкое открытие, которое сдвинет рамки нашего понимания микромира.


11
Показать комментарии (11)
Свернуть комментарии (11)

  • Богдан Шевченко  | 03.02.2017 | 12:41 Ответить
    А как так? Я что-то был уверен всегда, что b-кварк может распасться только в c и u, а выходит, что он может и в s и в d?
    Где об этом можно почитать подробнее?
    Ответить
    • Fireman > Богдан Шевченко | 03.02.2017 | 13:46 Ответить
      Это называется (если я не путаю) слабое взаимодействие, в результате которого один аромат переходит в другой, описывается CKM-матрицей
      Ответить
    • Игорь Иванов > Богдан Шевченко | 03.02.2017 | 15:52 Ответить
      Это петлевые процессы. Условно говоря, b-кварк испускает виртуальный W-, превращается в t,c, или u, с него потом что-то излучается без изменения аромата кварка, а затем он обратно поглощает виртуальный W-, но уже становясь при этом s или d. Примеры диаграмм см. тут http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks/hadrons/decays
      Ответить
      • VICTOR > Игорь Иванов | 03.02.2017 | 23:08 Ответить
        Нужно будет узнать, как может происходить распад чего-то с рождением пары фотонов с суммарной энергией около 750 ГэВ или чуть выше.
        Ответить
        • Игорь Иванов > VICTOR | 04.02.2017 | 02:30 Ответить
          Вам нужно сначала написать, с кем взаимодействует это «что-то». Зная взаимодействия, мы выписываем правила Фейнмана, и потом рисуем диаграммы.
          Ответить
      • denis_73 > Игорь Иванов | 11.02.2017 | 03:28 Ответить
        Что с него может излучиться без изменения аромата кварка?
        Фотон? Два фотона? Хиггс? Z0? Гравитон? Пи0? Глюон?
        Ответить
        • VICTOR > denis_73 | 11.02.2017 | 14:34 Ответить
          А причем тут без изменения? Если без - это например распад резонансов может возможен какой-то путем перехода кварка на более низкий уровень.
          Ответить
        • Игорь Иванов > denis_73 | 14.02.2017 | 01:05 Ответить
          Фотоны. Хиггсы. Z. Гравитоны. С сильновзаимодействующими частицами описание чуть сложнее, т.к. они уносят цвет.
          Но мне непонятна цель вашего вопроса. Что вы хотели узнать-то?
          Ответить
    • VICTOR > Богдан Шевченко | 03.02.2017 | 16:51 Ответить
      А если говорить про распад конкретного мезона, то например D+ может распасться в "K-"+"pi+"+"e+"nu_e". То есть это как бы одновременно "обычный бета-распад" и рождение мезона "u-anti-d".
      З.Ы. Потом поищу, может ли мезон распадаться на 2 лептона. Пи-0 - без проблем, Пи+ - в антимюон, позитрон или Пи-0.
      Ответить
      • Игорь Иванов > VICTOR | 04.02.2017 | 02:29 Ответить
        Формально, все распады, которые не запрещены законами сохранения, происходят с той или иной вероятностью. Другой вопрос, какова эта вероятность и зарегистрированы ли такие распады экспериментально. Сводка всей информации по всем известным распадам всех частиц собрана Particle Data Group на сайте http://pdg.lbl.gov/
        Кликните на PDG Live для интерактивного доступа к разным частицам, а потом на интересующую вас частицу.

        Например, ваш распад D+ мезона зарегистрирован, он происходит с вероятностью примерно 3,9%, это распад, обозначенный Gamma17 в сводной таблице распадов D+ http://pdglive.lbl.gov/Particle.action?node=S031&init=#decayclump_B и есть даже подробнее про него http://pdglive.lbl.gov/BranchingRatio.action?parCode=S031&desig=34

        Лептонный (а конкретно — мюонный) распад заряженного пиона — это доминирующий канал распада. Кроме того, измерен распад на e^+ nu pi^0 с вероятностью примерно 10^{-8}.
        Ответить
        • VICTOR > Игорь Иванов | 04.02.2017 | 15:21 Ответить
          >которые не запрещены законами сохранения
          Но тогда указанный Вами распад какого либо кварка в t-кварк может произойти либо виртуально, либо при столкновении с чем-то быстрым (таким, что в системе отсчета ЦМ масса кварка (b или легче) будет выше, чем масса t-кварка + полная энергия лептонов).
          Или конечно процесс может быть не адронный, а когда B-мезон не распадается сам по себе, а сталкивается со скажем позитроном и происходит реакция:
          b + e^+ -> t + anti-nu_e
          З.Ы. Конечно я брал пример распада из той базы и убедился, что масса D-мезона больше, чем "K-"+"pi+" (остальное там мелочи и редко можно подобрать распад с точностью до массы электрона).
          Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»