Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
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



Библиотека

 
Т. Дамур
«Мир по Эйнштейну». Глава из книги


Л. Франк
«Мой неповторимый геном». Глава из книги



В память о Леониде Вениаминовиче Келдыше (07.04.1931–11.11.2016)


Н. Жизан
«Квантовая случайность». Глава из книги


Интервью с С. Ландо
Сергей Ландо: «Прорывы в математике плохо предсказуемы»


В. Гаврилов
Загадка зарянки


А. Левин
Астрономия темного


В. Мацарский
Бодался Чандра с сэром Артуром


О. Макаров
Секрет разделения


М. Никитин
«Происхождение жизни». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

LHCb измерил новый распад прелестного бариона, но не смог решить давнюю загадку


Рис. 1. Разница между эксклюзивными и инклюзивными распадами на примере B-мезона

Рис. 1. Разница между эксклюзивными и инклюзивными распадами на примере B-мезона. В эксклюзивном распаде речь идет про какую-то конкретную частицу в конце, в инклюзивном — производится суммирование по всем частицам с нужным кварковым составом

Коллаборация LHCb сообщает о регистрации еще одного редкого распада прелестного бариона \(\Lambda_b\) — на протон и лептоны. Благодаря ему удалось по-новому взглянуть на превращение b-кварка в u-кварк — загадочный процесс, в котором уже давно существует необъяснимое расхождение между двумя методами измерения. Новый результат отдает четкое предпочтение одному методу и сильно расходится с результатами другого, но полностью проблему он не устраняет.

Коллаборация LHCb, обрабатывая статистику сеанса LHC Run 1 и измеряя всё новые и новые свойства прелестных адронов, продолжает выдавать результаты, существенно меняющие наше понимание разных аспектов физики адронов. В своей новой статье Determination of the quark coupling strength |Vub| using baryonic decays, опубликованной на днях в журнале Nature Physics и доступной также в архиве е-принтов, коллектив сообщает о наблюдении нового полулептонного распада прелестного бариона \(\Lambda_b\), того самого, который недавно помог им открыть тяжелый пентакварк (см.: Открыт адрон нового типа — пентакварк со скрытым очарованием, «Элементы», 15.07.2015). На этот раз LHCb использовала его для измерения вероятности превращения b-кварка в u-кварк — процесса, с которым в физике частиц связана давняя загадка.

Как и всякие превращения кварков друг в друга, переход \(b\to u\) происходит под действием слабого взаимодействия. Стандартная модель эти переходы не может объяснить, она их только описывает численной матрицей кваркового смешивания (за открытие этого способа описания превращений кварков, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике в 2008 году). Числа, стоящие в этой матрице, требуется измерять экспериментально — и чем лучше они будут измерены, тем больше у физиков будет шансов угадать их закономерности и понять, откуда они, собственно, берутся.

Переход \(b\to u\) описывается элементом этой матрицы, обозначаемым |Vub|. Это число составляет примерно 4 тысячных, и из-за этого вызываемые таким переходом распады имеют маленькую вероятность и трудны для измерения. Тем не менее они были зарегистрированы уже давно, что и позволило определить |Vub|. Беда в том, что два разных метода измерения упорно дают значения, сильно расходящиеся друг с другом, и физики до сих пор не понимают — почему.

Эти два метода измерения — через инклюзивные и через эксклюзивные распады — различаются вот чем. Нас интересует вероятность кваркового превращения, но, поскольку кварки сидят внутри адронов, мы в эксперименте можем измерять лишь распады адронов (рис. 1). Для этого мы можем использовать эксклюзивные распады, с какими-то конкретными частицами в начале и в конце, а можем инклюзивные — это когда мы суммируем по всем конечным адронам с нужным кварковым составом. Эти два метода позволяют, при поддержке теоретиков, извлечь одну и ту же величину — в нашем случае |Vub|, — но они сильно различаются своими экспериментальными и теоретическими тонкостями.

За последние десятилетия было проведено немало измерений распадов B-мезонов, прежде всего в экспериментах Belle и BaBar на e+e-коллайдерах, которые позволили измерить |Vub| обоими методами. Их результаты сильно различаются. Из инклюзивных распадов получилось \(|V_{ub}| = (4,\!41 \pm 0,\!15 {}^{+0,15}_{-0,17})\cdot 10^{-3}\), из эксклюзивных — заметно меньшее число \( (3,\!28 \pm 0,\!29)\cdot 10^{-3}\). Расхождение существенное, на три стандартных отклонения; списать его на неточность теоретических расчетов или найти ему какое-то иное разумное объяснение не удается. Это либо какой-то дефект экспериментальной методики (но которой из них?), либо новое физическое явление. Даже в другом, более вероятном переходе b-кварка в c-кварк наблюдаются похожие «трения». Проблема эта стала настолько раздражать физиков, что в этом году была проведена специальная научная конференция, целиком посвященная «непослушным» распадам b-кварка.

В новой статье коллаборация LHCb сообщает о том, что она впервые измерила еще один эксклюзивный распад: \(\Lambda_b \to p \mu^- \bar \nu\). Это исследование характеризуется словом «впервые» сразу в нескольких смыслах. Во-первых, этот распад вообще зарегистрирован впервые. Так получилось потому, что на e+e-коллайдерах \(\Lambda_b\)-барионы не рождались, зато Большой адронный коллайдер их производит в больших количествах. Во-вторых, это первый процесс превращения b-кварка в u-кварк, который «увидел» детектор LHCb. В-третьих, это первый случай измерения величины |Vub| в барионном, а не мезонном распаде.

Тут еще есть и совсем любопытный момент. Десять лет назад считалось, что на адронном коллайдере измерить |Vub| просто нереально. Поэтому коллаборация LHCb вообще-то даже не рассчитывала, что ей удастся измерить этот распад и зарегистрировать переход \(b\to u\). К своему удивлению, они это сделать смогли — сказалось и высокое качество самого детектора, и шагнувшие далеко вперед методы обработки и анализа данных. Так что это еще и важный «метарезультат» сеанса работы LHC Run 1: коллайдер в очередной раз смог сделать больше, чем от него ожидали вначале.

Что касается самого измерения \(\Lambda_b \to p \mu^- \bar \nu\), то основная трудность тут заключается в том, что искомый сигнал приходится отделять от большого фона \(\Lambda_b \to \Lambda_c^+ \mu^- \bar \nu\) (в этом распаде b-кварк распадается на c-кварк). Барион \(\Lambda_c^+\) живет намного меньше, чем \(\Lambda_b\), — взгляните на шкалу времен жизни элементарных частиц, — и он тоже распадается с испусканием протона. Однако в этом случае из вторичной вершины вылетает не только протон и мюон, но и пара других заряженных частиц (рис. 2). Эта особенность помогает отделить сигнал от фона.

Рис. 2. Общий вид разлета частиц в искомом и фоновом событиях

Рис. 2. Общий вид разлета частиц в искомом событии (слева) и в фоновом событии (справа). Их удается разделить благодаря тому, что в сигнальном событии из вторичной вершины вылетают только две заряженные частицы, а в фоновом — несколько. Изображение из доклада U. Egede, 2015.|Vub|: Experimental issues @LCHb

Отделив сигнал от фона, физики не выбросили эти фоновые события, а, наоборот, аккуратно их пересчитали. Величина, фактически измеренная в эксперименте, — это отношение количества сигнальных событий к фоновым. Это очень удобно, потому что в таком отношении сокращаются некоторые систематические погрешности. Из этого отношения была извлечено отношение |Vub|/|Vcb|, из которого уже, опираясь на другие данные и на совсем недавние теоретические расчеты, физики и получили искомую величину |Vub|.

Результат этого многоступенчатого анализа таков: \(|V_{ub}| = (3,\!27 \pm 0,\!15 \pm 0,\!16 \pm 0,\!06)\cdot 10^{-3}\), где первая погрешность — чисто экспериментальная, а две другие — теоретические. Это значение полностью совпадает с тем, что дают эксклюзивные распады B-мезонов, и, как следствие, сдвигает общий баланс сил в их пользу. Однако оно не дает разрешения загадки: новое измерение еще сильнее, уже на 3,5σ, расходится с результатами инклюзивных распадов (рис. 3). Возможно, надо попробовать найти новый способ измерения инклюзивных распадов, возможно, надо снова сесть и разбираться с теоретическими расчетами. Так или иначе, но это измерение — далеко не последнее слово LHCb. Поверив в свои силы, эта группа теперь попробует измерить |Vub| и иными способами.

Рис. 3. Три группы измерений параметра |Vub|

Рис. 3. Три группы измерений параметра |Vub|: инклюзивные (зеленый) и эксклюзивные (красный) распады B-мезонов, а также новый результат LHCb (синий). Изображение из доклада U. Egede, 2015.|Vub|: Experimental issues @LCHb

Новое измерение, между прочим, закрывает одну достаточно наивную попытку разрешить дилемму с помощью Новой физики. Раньше, когда конфликтовали только два числа, извлеченные из инклюзивных и эксклюзивных распадов B-мезонов, оставалась теоретическая возможность согласовать их друг с другом с помощью нового взаимодействия определенного типа. Результат LHCb закрывает эту возможность. Три полосы на рис. 4, отвечающие трем разным результатам в рамках гипотезы о новом взаимодействии, не пересекаются все три ни в одном месте.

Рис. 4. Величина |Vub|, извлеченная из разных данных

Рис. 4. Величина |Vub|, извлеченная из инклюзивных (красная полоса), эксклюзивных (синяя полоса) и новых данных LHCb (зеленая полоса) в предположении о существовании нового типа сил. Параметр εR (по горизонтали) показывает интенсивность этой гипотетической силы; значение εR = 0 отвечает Стандартной модели. Три полосы нигде не сходятся в одну точку. Желтый эллипс — формальное усреднение результатов; оно плохо согласуется со всеми тремя измерениями. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics

Видимо, тут действительно имеется какая-то трудноуловимая ошибка или в самой экспериментальной методике, или в теоретической интерпретации данных, и физикам придется дальше ее искать. Ну а желающие почувствовать, в какие тонкости при этом приходится вникать, могут взглянуть на совсем недавнюю статью — обсуждение ровно этой загадки.

Источник: The LHCb collaboration. Determination of the quark coupling strength |Vub| using baryonic decays // Nature Physics. 2015. DOI: 10.1038/nphys3415.

Игорь Иванов


Комментарии (31)



Последние новости: Детектор LHCbLHCСвойства адроновИгорь Иванов

13.10
Ядерная материя близка к точке квантового фазового перехода
10.10
Нобелевская премия по физике — 2016
22.08
Наконец-то обнаружен аналог излучения Хокинга в холодном квантовом газе
17.08
Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона
05.08
Двухфотонный пик исчез в новых данных коллайдера
27.07
Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи
20.06
LIGO поймала новые всплески гравитационных волн
27.04
Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пику
01.04
Обнаружены коллективные эффекты в поведении физиков-теоретиков
23.03
Загадочный двухфотонный пик проступает всё сильнее

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия