Детектор LHCb видит важнейший сверхредкий распад B_s-мезонов

Распределение по инвариантной массе μ⁺μ^–-пар, оставшихся после многоступенчатой процедуры отбора событий. Разноцветные линии показывают вклады разных механизмов рождения этих пар, синяя кривая — их сумма. Пик (показан красной штриховой линией) при массе 5300–5400 МэВ отвечает B_s-мезонам. Более слабый пик чуть левее (показан зеленой штриховой линией) отвечает B-мезону. Изображение из обсуждаемой статьи

Первый же день работы Симпозиума по физике на адронных коллайдерах, который проходит на этой неделе в Киото, принес важную новость. Коллаборация LHCb сообщила, что она впервые получила надежные указания на то, что сверхредкий распад B_s-мезонов на мюон-антимюонную пару действительно происходит. Процесс, за которым много лет «охотились» несколько коллайдеров и который имеет важнейшее значение для поиска Новой физики, наконец-то стал четко проявляться в данных. Впрочем, к этой новости примешивается и нотка горечи — первые измерения вероятности этого распада полностью согласуются с предсказаниями Стандартной модели. Таким образом, никаких проявлений физики вне Стандартной модели этот распад пока не показывает.

Напомним вкратце предысторию этого поиска. Сверхредкие распады мезонов интересны тем, что они позволяют косвенно заглянуть в мир сверхтяжелых частиц — если они, конечно, существуют. В рамках Стандартной модели такие распады идут исключительно неохотно в силу той или иной особенности известных частиц, поэтому даже слабенький эффект от виртуальных тяжелых частиц может сильно изменить его вероятность.

В случае распада B_s → μ⁺μ^– эта вероятность предсказывается Стандартной моделью на уровне 3,5 миллиардных, однако наличие суперсимметричных частиц или других гипотетических процессов могло бы увеличить ее в разы. В частности, считается, что этот распад будет даже более прозорливым в поиске суперсимметрии, чем прямое рождение суперчастиц. Для того чтобы эту вероятность измерить экспериментально, требуется набрать хотя бы несколько миллиардов событий рождения B_s-мезонов и найти среди них горстку нужных распадов. Как всегда, задача усложняется тем, что приходится бороться с «фоном» — рождением той же мюон-антимюонной пары, но без промежуточного B_s-мезона.

Год назад коллаборация CDF сообщила о намеках на то, что она видит этот распад в своих данных. Вероятность его составляла аж 18 миллиардных — впятеро больше ожиданий Стандартной модели! Однако первые же данные Большого адронного коллайдера, появившиеся всего месяц спустя, шли вразрез с этим сообщением (см. подробности в новости LHC не подтверждает еще один результат CDF).

LHC тогда еще не видел следов этого распада, но он мог установить верхнее ограничение на его вероятность. По мере роста статистики это верхнее ограничение снижалось (см. февральскую новость Детектор CMS скоро начнет чувствовать сверхредкий распад B_s-мезонов). К лету этого года коллаборация LHCb уже вплотную подошла к требуемому рубежу чувствительности. По этой причине ожидалось, что к концу этого года наконец-то будут получены первые указания на существование этого распада. Главная интрига заключалась в том, будет ли его вероятность совпадать со Стандартной моделью или нет.

Новые данные детектора LHCb, полученные на основе статистики 2011-го (интегральная светимость 1,1 fb^–1 на энергии 7 ТэВ) и 2012 года (1,0 fb^–1 на энергии 8 ТэВ), позволили обнаружить этот распад на уровне статистической значимости 3,5 стандартных отклонений (см. рисунок). Вероятность породить такой сигнал за счет статистической флуктуации составляет примерно p = 0,0005. По стандартам физики элементарных частиц это пока не считается открытием, но уже является надежным указанием на существование этого распада. Измерения вероятности распада дали значение 3,2 ± 1,2 миллиардных, что согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Очевидно, это согласие позволит наложить еще более сильные ограничения на суперсимметрию и другие теоретические гипотезы (конкретные ограничения, впрочем, пока представлены не были).

Коллаборация LHCb также сообщила об обновленном ограничении на распад B-мезона (без индекса «s») на ту же мюон-антимюонную пару. Этот распад в рамках Стандартной модели идет еще медленнее, его вероятность оценивается лишь в одну десятимиллиардную. Детектор LHCb этот распад с нужной степенью достоверности пока не видит, хотя какая-то активность в данных всё же проступает (см. рисунок). Тем не менее коллаборация установила ограничение сверху на вероятность этого распада в 0,94 миллиардных.

Дальнейшие подробности измерения см. в докладе на симпозиуме, а также в статье, которая сегодня появилась на сайте ЦЕРНа.