Детектор LHCb подтверждает смешивание в нейтральных D-мезонах

Относительная вероятность распада D-мезонов по «неправильному» каналу как функция времени (время измеряется в единицах естественного времени жизни мезона). Без осцилляций наблюдалась бы константа (показана пунктирной линией), но данные исключают эту возможность на уровне 9 стандартных отклонений

Поиск возможных проявлений Новой физики ведется на LHC сразу двумя дополняющими друг друга способами — через прямые поиски новых частиц и через небольшие отклонения уже измеренных величин от предсказаний Стандартной модели. Этот второй метод, по сути, заключается в том, что физики регистрируют уже известные адроны и тщательным образом отслеживают их распады. Оказывается, это, на первый взгляд скучное, исследование может оказаться даже более чувствительным к некоторым проявлениям физики вне Стандартной модели. Один из детекторов Большого адронного коллайдера, LHCb, как раз оптимизирован для такого типа измерений.

В этом методе исследования физиков интересует, среди прочего, смешивание между мезонами и их античастицами, приводящее к их осцилляциям. Осцилляции означают, что когда рождается мезон с конкретной кварковой структурой, например нейтральный D-мезон, состоящий из кварковой пары c-анти-u, то он начинает спонтанно превращаться в свою античастицу — анти-D-мезон с кварковым составом u-анти-c. Если бы D-мезон не распадался, то через некоторое время он превратился бы в свою античастицу, потом снова в частицу, и так далее — это и есть осцилляции. Чуть более математическое описание осцилляций мезонов и аналогию со связанными маятниками можно найти на этой странице.

Осцилляции D-мезонов в рамках Стандартной модели происходят медленно, поэтому если в природе имеется какой-то новый механизм такого «перетекания» вещества в антивещество, то он может быть заметен в этом процессе. Именно с этой целью физики стараются как можно точнее измерить параметры осцилляций.

Можно ли осцилляции увидеть воочию? Да, но для этого нужно выполнить три условия. Во-первых, надо отлавливать продукты такого распада мезонов, вероятность которого отличается для мезона и антимезона. Например, в случае нейтральных D-мезонов можно смотреть на распады K–π+ или K+π–. D-мезон распадается на K–π+ (то есть по «правильному» каналу) примерно в 200 раз охотнее, чем на K+π– (по «неправильному» каналу). Для анти-D-мезона ситуация обратная. Во-вторых, требуется знать, в каком состоянии родился мезон — D или анти-D. В-третьих, надо в каждом конкретном событии уметь измерять время, прошедшее с момента рождения до момента распада D-мезона (или его антимезона). Это удается сделать благодаря тому, что за время своей быстротечной жизни мезон успевает пролететь заметную дистанцию, порядка миллиметра, и ее легко можно измерить в детекторе.

Стоит сказать, что подобные осцилляции уже давно были открыты в нейтральных K-мезонах и B-мезонах, где они проявляются намного сильнее. В случае D-мезонов природа распорядилась так, что эти осцилляции заметить трудно: период осцилляций намного больше, чем время жизни мезонов. Поэтому первые намеки на осцилляции D-мезонов появились совсем недавно, в 2007 году. К настоящему времени это явление уже можно считать экспериментально установленным, но с одной оговоркой: статистическая значимость этого явления превышает требуемый порог в пять стандартных отклонений только после объединения результатов трех разных экспериментов. Ни один отдельный эксперимент сам по себе до этого порога недотягивает.

На днях в архиве е-принтов появилась статья коллаборации LHCb, которая восполняет этот пробел и с лихвой перекрывает все предыдущие эксперименты по статистической значимости этого измерения. В этой статье сообщается о результатах измерения, выполненного по описанной выше схеме — вероятность распада на K–π+ или K+π– в зависимости от времени. Главный график работы представлен на картинке. Здесь показана вероятность распасться по «неправильному» каналу по отношению к «правильному». Если бы осцилляций не было, эта вероятность была бы постоянной и равной примерно 1/200. Однако данные убедительно показывают, что эта вероятность растет с течением времени, что согласуется с гипотезой об осцилляциях. Гипотеза об отсутствии осцилляций закрыта на уровне статистической значимости больше 9 стандартных отклонений, что окончательно снимает какие-либо вопросы об ее реальности.

Параметры осцилляции, измеренные в этой статье, в пределах погрешностей сходятся с более ранними измерениями, но существенно превышают их в точности. К сожалению, теоретические предсказания на основе Стандартной модели имеют пока слишком много неопределенностей для того, чтобы делать надежные выводы о наличии в этом процесс эффектов Новой физики.