Коллаборация LHCb разобралась с загадочным результатом 13-летней давности

Рис. 1. Распределение по инвариантной массе pμμ-системы по данным LHCb обнаруживает надежный пик при 1190 МэВ, соответствующий сигма-гиперону. Однако распределение по инвариантной массе мюонной пары, показанное на врезке, — плавное в пределах погрешностей и не подтверждает структуру при 214 МэВ. Изображение с сайта cerncourier.com

Изучение адронной спектроскопии — то есть того, какие бывают адроны, сколько они весят, сколько живут, и на что распадаются — это существенный пункт научной программы Большого адронного коллайдера. Мы неоднократно сообщали о новых, в том числе и экзотических, адронах, обнаруженных на LHC (см. сводку на странице Адронная спектроскопия: результаты). Но кроме открытия новых адронов, коллайдер иногда и закрывает намеки на частицы, о которых рапортовали другие эксперименты.

Особенно весомый вклад здесь вносит коллаборация LHCb. Одноименный детектор специально заточен под изучение тяжелых адронов и их редких распадов, а огромный темп рождения искомых частиц позволяет за считанные месяцы набрать статистику, перекрывающую весь срок работы предыдущих коллайдеров. Благодаря этим инструментальным преимуществам, коллаборация LHCb проходит, словно катком, по целым пластам накопленных ранее экспериментальных результатов и порой переписывает целые главы спектроскопии тяжелых адронов. Иногда под этот каток попадаются результаты, полученные на грани чувствительности, и тогда LHCb выносит вердикт — существует или не существует.

В конце 2017 года коллаборация LHCb представила в публикации Evidence for the rare decay Σ⁺→pμ⁺μ⁻ результат, закрывающий интригующее сообщение 13-летней давности о возможном существовании гипотетической легкой частицы с массой 214 МэВ. Тогда, в далеком 2005 году, эксперимент HyperCP на американском протон-антипротонном коллайдере Тэватрон, пытаясь измерить сверхредкий распад сигма-гиперона на протон и мюонную пару, Σ⁺→pμ⁺μ⁻, обнаружил очень странную, почти невероятную кластеризацию трех событий на шкале инвариантных масс мюонной пары (рис. 2). Три события — это, конечно, мало, но их удивительная близость друг к другу намекала на то, что это могут быть следы рождения и распада неизвестной легкой частицы. Научное сообщество склонялось к тому, что такая кластеризация — флуктуация или артефакт эксперимента. Но в любом случае измерение требовало перепроверки.

Рис. 2. Результаты эксперимента HyperCP 2005 года: три события лежат аномально близко друг к другу на шкале инвариантных масс мюонной пары. Слева: гистограмма показывает то, как должно было выглядеть это распределение. Справа: фитирование данных узким резонансным пиком с массой 214 МэВ. Изображение из статьи H. K. Park et al., 2005. Evidence for the Decay Σ⁺→pμ⁺μ⁻

И вот сейчас коллаборация LHCb повторила это исследование. Обработав всю статистику сеанса Run 1, коллаборация нашла порядка 100 млрд сигма-гиперонов. Поиск нужных распадов дал 13 событий-кандидатов, что уверенно превышало фон (см. узкий пик на рис. 1). Статистическая значимость наблюдения этого распада составляет солидные 4 стандартных отклонения. Однако распределение по инвариантной массе мюонной пары никакой кластеризации при 214 МэВ не показало; в пределах погрешностей оно выглядит плавным (см. врезку на рис. 1). Таким образом, гипотетическая легкая частица, ответственная за аномалию в эксперименте HyperCP, не подтвердилась.

Любопытно, что название новой статьи LHCb почти идентично названию публикации HyperCP 13-летней давности: указание на существование искомого распада. Но только если тогда оценка вероятности распада давала примерно 86 миллиардных (с очень большими погрешностями), то сейчас LHCb приводит число \(21^{+16}_{12}\) миллиардных, что существенно ниже. К слову, теоретические предсказания здесь исключительно расплывчаты и дают оценку от 16 до 90 миллиардных. Так что оба измерения Стандартной модели не противоречили.

В заключение стоит напомнить, что детектор LHCb вообще-то рассчитан на изучение тяжелых мезонов, а сигма-гиперон — это обычный странный гиперон, не содержащий тяжелых кварков. Описанное здесь исследование показало, что, несмотря на это, LHCb способен выдавать передовые результаты и по физике странных адронов. По всей видимости, это станет началом более широкой программы LHCb по изучению редких распадов странного кварка.