LHCb подтверждает проблему с лептонной универсальностью в распадах B-мезонов

Рис. 1. Значение величины R* по результатам трех экспериментов. Узкая красная полоса — предсказания Стандартной модели. График с сайта lhcb-public.web.cern.ch

Коллаборация LHCb продолжает внимательно изучать тонкие эффекты в распадах B-мезонов и, уже в который раз, обнаруживает любопытные отклонения от Стандартной модели. На этот раз речь идет о полулептонных распадах: B-мезон, нейтральный или заряженный, распадается на D-мезон и пару «лептон+антинейтрино». Как и все распады с изменением кваркового типа, он протекает за счет слабого взаимодействия. В основе этого распада лежит самый обычный слабый процесс: b-кварк превращается в c-кварк и испускает W-бозон, который тут же превращается в лептоны. При этом W-бозону всё равно, на какие лептоны распадаться. Так что если сравнивать два похожих распада, но только с разными лептонами, скажем \(\bar B \to D \mu\bar\nu\) и \(\bar B \to D \tau\bar\nu\), то отличаться они могут только кинематическими особенностями (тау-лептон намного тяжелее мюона), но не механизмом распада. Это свойство называется лептонной универсальностью слабого взаимодействия.

Для проверки лептонной универсальности экспериментаторы измеряют отношения вероятностей похожих распадов. Конкретно для этой задачи используются две величины:

Отношения удобны тем, что в них сокращаются неопределенности, связанные с плохо вычисляемыми адронными превращениями. В результате предсказания Стандартной модели для этих двух величин получаются очень конкретными:

В 2012 году эксперимент BaBar, работавший на американском электрон-позитронном ускорителе SLAC в Стэнфорде и изучавший распады B-мезонов, к своему удивлению обнаружил, что измеренные значения заметно отличаются от предсказаний Стандартной модели. Отклонение тогда достигало 3,4σ. Эксперимент-конкурент — японская установка Belle, тоже заточенная под изучение B-физики, — видел лишь небольшое отклонение от СМ, которое расхождением и не назовешь. От Большого адронного коллайдера никаких новостей не ожидали, поскольку считалось, что распады B-мезонов с участием тау-лептона на адронном коллайдере изучать нереально.

Но коллаборация LHCb в очередной раз смогла сделать то, чего от нее не ждали. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters и доступной также в архиве е-принтов, сообщается об измерении одного из этих отношений — величины R*. Результат оказался таким: \(R^* = 0.336 \pm 0.027 \pm 0.030\) (рис. 1). Он на 2,1σ отличается от Стандартной модели и отлично сходится с результатом коллаборации BaBar. Таким образом, LHCb подтверждает, что в этих распадах B-мезонов происходит что-то подозрительное, не вписывающееся в обычную физику.

Рис. 2. Результаты измерений трех экспериментов на плоскости (R, R*). Результат LHCb представляет собой полосу, а не эллипс, поскольку величину R эта группа не измерила. Красным эллипсом показано объединение результатов, выполненное группой HFAG. График с сайта slac.stanford.edu

Надо сказать, что и Belle недавно обновила свои результаты, но не слишком прояснила ситуацию, поскольку ее результат лежит где-то посередине между СМ и парой BaBar/LHCb. Однако если все три эксперимента объединить вместе, получится вполне существенное отклонение от Стандартной модели — около 4σ (рис. 2). Поскольку коллектив LHCb научился измерять этот распад, у него остается большой набор возможностей как для уменьшения погрешностей, так и для новых измерений. И если в новых результатах отклонение не исчезнет, нас в ближайшие годы ждет настоящее открытие.