Поиск майорановских нейтрино в распадах мезонов дал отрицательный результат

Диаграмма распада B-мезона на комбинацию частиц π⁺μ^–μ^– за счет рождения и распада тяжелого майорановского нейтрино (N). Изображение из обсуждаемой статьи

Вообще говоря, эксперименты на Большом адронном коллайдере имеют мало общего с физикой нейтрино. Как-никак, нейтрино — частицы чрезвычайно легкие и практически недетектируемые. Они, конечно, появляются в распада частиц, рожденных на коллайдере. Но поскольку детекторы их не видят, они проявляются только в виде «пропавшего импульса» — так называют ситуацию, когда суммарный импульс всех зарегистрированных частиц не совпадает с импульсом начальных протонов.

Однако в некоторых задачах нейтринной физики LHC всё-таки может помочь. На днях коллаборация LHCb выпустила статью, в которой сообщается о поиске нового сорта нейтрино в распадах B-мезонов — так называемых майорановских нейтрино.

Для обычных, электрически заряженных частиц ясно, что частица и античастица — это совершенно разные вещи. Для нейтральных частиц такой определенности нет. Античастица может отличаться от частицы (например, нейтрон и антинейтрон — это разные элементарные частицы), а может и совпадать (так, фотон является античастицей для самого себя).

Нейтрино — тоже незаряженные частицы, и как обстоит дело для них, пока неизвестно. Может оказаться, что те легкие нейтрино, которые мы знаем, совпадают со своими античастицами (в этом случае нейтрино называются майорановскими), а может — что и не совпадают (их тогда называют дираковскими нейтрино). Такой, казалось бы, пустяк очень важен для понимания того, откуда вообще берутся нейтрино и почему их масса такая маленькая. Ответить на этот вопрос помогут лишь низкоэнергетические эксперименты (например, безнейтринный двойной бета-распад некоторых ядер). Большой адронный коллайдер в этой задаче вряд ли сможет помочь.

Однако он может проверить другую гипотезу — что кроме трех известных сортов легких нейтрино в природе имеются и дополнительные более тяжелые нейтрино майорановского типа. Тогда эти частицы могли бы вызывать необычные распады мезонов, которые не вписываются в Стандартную модель. Именно такими распадами B-мезона и занималась коллаборация LHCb в новой статье.

Конкретный распад, который она изучала, показан на рисунке. Кварки внутри B-мезона превращаются в W-бозон, который распадается на мюон и нейтрино. Если бы это нейтрино было обычное, то на этом бы всё и закончилось — это был бы вполне рутинный распад B-мезона. Но если в природе существует новое нейтрино, хоть немного связанное с мюоном, то оно тоже может возникнуть в этом распаде (линия N на диаграмме). В этом случае нейтрино спустя некоторое время распадется, и в результате может получиться второй мюон и пи-мезон. Этот процесс особенно хорошо идет, если гипотетическое нейтрино имеет массу между массами B-мезона и пи-мезона, то есть примерно от 250 МэВ и до 5 ГэВ.

Ключевая особенность этого распада в том, что два мюона здесь — одинакового сорта (то есть не мюон и антимюон, а именно два мюона). Такое возможно только в том случае, если промежуточное нейтрино — майорановское; на диаграмме этот факт показан стрелочкой, обратившей направление на полпути от появления нейтрино до его распада. В Стандартной модели такой распад либо невозможен, либо исключительно маловероятен. Поэтому надежная его регистрация над уровнем фона стала бы сенсационным успехом.

Как и в случае многочисленных предыдущих поисков Новой физики, сенсации не получилось. После отбора и анализа огромного числа B-распадов было найдено несколько десятков событий нужного типа. Но примерно столько же ожидалось и фоновых событий, то есть событий, в которых распад был в реальности иной, но которые детектор неправильно идентифицировал как нужные. Таким образом, указаний на существование тяжелых майорановских нейтрино получено не было. Исследователи смогли лишь установить ограничения сверху на вероятность такого распада B-мезона; оно составило несколько миллиардных долей. Это ограничение, впрочем, слегка ухудшается, если вдобавок предположить, что новые нейтрино живут достаточно долго.

Этот результат сам по себе не стал «приговором» ни для какой теоретической модели. Однако он ограничил значения параметров, которые могут теперь использовать теоретики в своих построениях. В целом, это еще один «кирпичик» в стену, отгораживающую нас от возможного обнаружения явлений за пределами Стандартной модели — главной мечты современной физики элементарных частиц.