LHCb открыл рекордно редкий адронный распад B-мезонов

Рис. 1. Распределение числа событий, прошедших все критерии отбора, по инвариантной массе K⁺K^–-пары. Вклад искомого процесса показан сине-зеленым цветом. Изображение из обсуждаемого доклада

Поиск и изучение редких распадов B-мезонов — один из ключевых пунктов научной программы детектора LHCb, да и вообще всего Большого адронного коллайдера. Смысл этого поиска в том, что раз такие распады редкие, значит в рамках Стандартной модели существуют какие-то препятствия для них. Эти препятствия могут отсутствовать в моделях Новой физики. Поэтому появляется шанс, что именно в характеристиках таких распадов смогут наиболее контрастно проступить слабые эффекты за пределами Стандартной модели.

Большой адронный коллайдер, благодаря своей высокой светимости и очень прозорливым детекторам, способен аккуратно измерять распады B-мезонов с вероятностью меньше одной миллионной и даже вплоть до миллиардной. Сообщения о новых редких и сверхредких распадах регулярно поступают от LHCb: достаточно полистать нашу ленту новостей LHCb за последние пару лет. И что самое любопытное, в некоторых случаях действительно наблюдаются отклонения от ожиданий Стандартной модели, и они составляют добрую половину от оставшихся после ICHEP 2016 загадок коллайдера. В общем, в отличие от результатов ATLAS и CMS, от которых физиков бросает то в жар, то в холод, сообщения LHCb держат теоретиков в постоянно приподнятом настроении.

Обычно редкими бывают лептонные или полулептонные распады адронов. Если какой-то мезон распадается без лептонов, на одни только дочерние адроны, то обычно такой распад протекает быстро, охотно, и потому он не слишком интересен физикам. Но это общее правило не срабатывает в тех случаях, когда кварковый состав начальных и конечных адронов существенно различен. Такие распады тоже могут быть редкими, они тоже чувствительны к тонкостям слабого взаимодействия и являются потенциальным кандидатами на поиск Новой физики. Но в отличие от лептонов, адроны детектировать и отделять от фона труднее. Да и для теоретиков расчет чисто адронного распада — это сплошная головная боль.

Мы писали в прошлом году про новые адронные распады B-мезонов, распады, в которых не встречается очарованный кварк (LHCb продолжает открывать новые редкие распады B-мезонов). Сейчас, на прошедшей в августе конференции ICHEP 2016, коллаборация LHCb сообщила, среди прочего, об открытии еще более редкого, даже рекордно редкого чисто адронного распада B-мезона — на каон-антикаонную пару \(B^0\to K^+K^-\) (см. доклад Charmless two-body b-meson decays at LHCb).

В принципе, слабые намеки на этот распад проступали раньше: на Тэватроне, в детекторе Belle в электрон-позитронных столкновениях, да и на самом LHCb. Его вероятность оценивалась в 100–200 миллиардных, но ни о каком надежном детектировании речи не шло. Сейчас, завершив наконец-то анализ данных Run 1 по этому распаду, коллаборация показала новый предварительный результат: вероятность составляет 78±15 миллиардных. Распад хорошо виден, он отличается от нуля на уровне статистической значимости 5,8σ.

Почему так долго искали этот распад, становится ясно при взгляде на рис. 1. Здесь вклад искомого процесса показан сине-зеленым цветом. Видно, насколько он слаб по сравнению с доминирующим пиком, который даже вылезает за пределы приведенного графика. Этот пик берется от такого же распада частицы Bs, более тяжелого собрата B-мезона (этот распад, вообще-то, тоже редкий, но не настолько). Отличить искомый распад от всего остального удается лишь благодаря смещенному положению на шкале инвариантных масс каонной пары и очень точному его измерению в детекторе. По сути, перед нами старая добрая прецизионная спектроскопия, но только не в оптике, а в элементарных частицах.

Остается добавить, что в том же докладе были представлены результаты и «симметричного» по кварковой замене распада: \(B_s^0\to \pi^+\pi^-\). Он тоже выглядит небольшим бугорком рядом с доминирующим \(B^0\to \pi^+\pi^-\), но тоже был надежно измерен. Вот теперь у теоретиков появляется зацепка: даже если они не могут надежно сосчитать каждый из этих распадов, они могут предсказать их отношения и сравнить эти предсказания с данными. Интересно будет узнать, ждут ли нас здесь новые сюрпризы B-физики.

Ну и завершающий аккорд. Недавно LHCb замахнулась на совсем уж экстремально редкие распады B-мезонов, такие как \(B^+ \to K^+K^+\pi^-\). В рамках Стандартной модели их вероятности оцениваются на уровне \(10^{-14}\), то есть недостижимо малые даже для LHC. Это и неудивительно, учитывая то, насколько сложны диаграммы, порождающие этот распад (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма в рамках Стандартной модели, порождающая распад \(B^+ \to K^+K^+\pi^-\). Изображение из статьи LHCb coll., 2016. Search for the suppressed decays B⁺ → K⁺K⁺π^– and B⁺ → π⁺π⁺K^– (arXiv:1608.01478 [hep-ex])

Коллаборация LHCb, тем не менее, выполнила их поиск и ничего не нашла (см. публикацию arXiv:1608.01478). Ограничение сверху на вероятность этого распада составило 11 миллиардных.