Редкие распады B-мезонов: результаты (2013)

Это архивная версия страницы по состоянию на конец 2013 года. Актуальную версию см. здесь.

Текущая ситуация

Редкие распады мезонов, и в особенности B-мезонов, позволяют заметить эффекты Новой физики даже без прямого рождения новых тяжелых частиц. Три основных класса задач — это детальное изучение полулептонных и радиационных распадов, открытие и измерение вероятности лептонных распадов и поиск распадов, запрещенных в Стандартной модели. Перед запуском LHC наибольшие ожидания связывались с распадом на μ⁺μ^–-пару, за которым физики охотятся уже почти 30 лет, но и другие распады способны преподнести сюрпризы. Во всех этих поисках главную роль в силу своих конструкционных особенностей играет LHCb. Коллаборация CMS тоже часто выдает сравнимые результаты, а детектор ATLAS заметно отстает.

По состоянию на август 2013 года ситуация такова:

После почти 30-летних поисков наконец-то открыт важнейший сверхредкий распад B_s → μ⁺μ^–. Его вероятность составляет (2,9 ± 0,7)·10^–9 и в пределах погрешностей согласуется с предсказаниями Стандартной модели (рис. 1, слева).
Появились первые намеки на еще более редкий распад — B → μ+μ^–, вероятность которого в рамках СМ оценивается на уровне 10^–10. Эксперимент показывает примерно втрое большее значение, но его статистическая значимость невелика, и поэтому говорить о серьезном измерении и тем более о расхождении с теорией пока преждевременно (рис. 1, справа).
Открыты некоторые другие редкие распады нейтральных и заряженных B-мезонов (рис. 2). Поиск запрещенных распадов положительных результатов пока не дал.
Изучены угловые распределения в полулептонных распадах. В отдельных случаях наблюдаются небольшие отклонения от Стандартной модели.
В целом, статистически значимых расхождений со Стандартной моделью пока не выявлено, хотя некоторые подозрительные результаты требуют дальнейшего анализа.

Рис. 1. Данные по распаду B_s-мезона (вверху) и B-мезона (внизу) на μ⁺μ^–-пару. Изображение с сайта cds.cern.ch

Если учитывать не только последние данные LHC, но и результаты других коллайдеров, то источником всей новой информации здесь являются регулярно обновляемые сводки, которые выполняет группа HFAG. На рис. 2 приведены сводки редких распадов B_s-мезонов и заряженных и нейтральных B-мезонов.

Рис. 2. Сводка экспериментальных результатов по редким распадам B_s-мезонов (вверху) и B-мезонов (внизу) по состоянию на июнь 2013 года, а также их усредненные значения (показаны черным цветом), найденные группой HFAG. Вероятность выражена в миллионных долях

Лептонные распады

Сводка основных результатов по поиску и измерению распадов B_s- и B-мезонов на μ⁺μ^–-пару. В графе «результат» указана измеренная вероятность соответствующего распада.

Дата	Коллаборация	Подробности поиска	Результат	Ссылки
Июль 2013	CMS + LHCb	Объединение новых результатов двух детекторов; официальное заявление об открытии распада	B(B_s → μ⁺μ^–) = (2,9 ± 0,7)·10^–9 B(B → μ⁺μ^–) = (3,6^+1,6_–1,4)·10^–10	Сводка результатов, «Элементы»
Июль 2013	LHCb	Статистика 3 fb^–1 (2011 и 2012 годы)	B(B_s → μ⁺μ^–) = (2,9^+1,1_–1,0)·10^–9 B(B → μ⁺μ^–) = (3,7^+2,4_–2,1)·10^–10	Статья, «Элементы»
Июль 2013	CMS	Статистика 25 fb^–1 (2011 и 2012 годы)	B(B_s → μ⁺μ^–) = (3,0^+1,0_–0,9)·10^–9 B(B → μ⁺μ^–) = (3,5^+2,1_–1,8)·10^–10	Пресс-релиз, статья, «Элементы»
Июль 2013	ATLAS	Статистика 4,9 fb^–1 (полная статистика 2011 года)	B(B_s → μ⁺μ^–) < 15·10^–9	Доклад
Ноябрь 2012	LHCb	Статистика 2,1 fb^–1; впервые получено указание на существование этого распада	B(B_s → μ⁺μ^–) = (3,2^+1,5_–1,2)·10^–9 B(B → μ⁺μ^–) < 9,4·10^–10	Статья, «Элементы»
Июнь 2012	ATLAS + CMS + LHCb	Объединение ранних результатов трех детекторов; статистика 2,4 fb^–1 (ATLAS), 5 fb^–1 (CMS), 1 fb^–1 (LHCb)	B(B_s → μ⁺μ^–) < 4,2·10^–9 B(B → μ⁺μ^–) < 8,1·10^–10	Доклад

Другие редкие или запрещенные в Стандартной модели распады B_s- и B-мезонов

В таблице приведены только запрещенные распады или те изученные полулептонные распады, которые в чем-то отличаются от ожиданий Стандартной модели. Результаты по полулептонным распадам, во всем совпадающие со Стандартной моделью, опущены (их можно найти на рис. 2).

Дата	Коллаборация	Подробности поиска	Результат	Ссылки
Август 2013	LHCb	Изучено угловое распределение в распаде B → K^*μ⁺μ^–; статистика 1 fb^–1	В одном из коэффициентов обнаружено заметное отличие от теоретических ожиданий (3,7σ)	Статья, «Элементы»
Август 2013	LHCb	Поиск запрещенных распадов на e⁺μ^– или μ⁺e^–-пары; статистика 1 fb^–1	B(B_s → e^±μ^∓) < 1,1·10^–8 B(B → e^±μ^∓) < 2,8·10^–9	Статья
Март 2013	LHCb	Поиск распада на μ⁺μ^–μ⁺μ^–; статистика 1 fb^–1	B(B_s → 2μ⁺2μ^–) < 1,6·10^–8 B(B → 2μ⁺2μ^–) < 6,6·10^–9	Статья

Редкие распады заряженных B-мезонов

Дата	Коллаборация	Подробности поиска	Результат	Ссылки
Июль 2013	LHCb	Изучен распад B⁺ → K⁺μ⁺μ^–; статистика 3 fb^–1	Обнаружена структура, похожая на мезон ψ(4160), однако вероятность его рождения отличается от теоретических ожиданий	Статья, «Элементы»
Октябрь 2012	LHCb	Впервые открыт распад B⁺ → π⁺μ+μ–; статистика 1 fb^–1	B(B⁺ → π⁺μ⁺μ^–) = (2,3 ± 0,6)·10^–8	Статья

Дополнительные ссылки:

Тематические страницы коллабораций:

LHCb: редкие распады, общая страница результатов, сезонная подборка и дайджест интересных результатов;
CMS: B-physics and quarkonia;
ATLAS: B-physics.

Обзорные публикации:

HFAG Coll. Averages of b-hadron, c-hadron, and tau-lepton properties as of early 2012 // е-принт arXiv:1207.1158 [hep-ex] — детальный отчет группы HFAG, включающий уже и данные LHC. Более ранние данные см. на странице группы HFAG;
Implications of LHCb measurements and future prospects (август 2012 года) — обзор результатов LHCb на статистике 2011 года.