Усилилось расхождение данных LHCb с предсказаниями Стандартной модели

Рис. 1. Внутренности детектора LHCb. Изогнутый 1600-тонный магнит, обмотки которого видны на снимке, разделяет траектории заряженных частиц и позволяет реконструировать процессы распада мезонов. Фото сделано в декабре 2018 года во время плановых работ. Фото с сайта cds.cern.ch

Коллаборация LHCb, завершив обработку всей набранной к настоящему времени статистики, обнародовала долгожданные результаты по проверке лептонной универсальности в редких распадах B-мезонов. Лептонная универсальность — краеугольный камень Стандартной модели, поэтому обнаружившиеся несколько лет назад намеки на ее нарушение вызвали ажиотаж среди теоретиков. Новые результаты подтверждают расхождение; его статистическая значимость выросла до 3,1 стандартного отклонения.

Шесть-семь лет назад очень многие физики, изучавшие мир элементарных частиц, пребывали в ожидании грядущих фундаментальных открытий. По итогам первого сеанса работы Большого адронного коллайдера обнаружилось несколько очень любопытных отклонений от предсказаний Стандартной модели. Некоторые из них относились к энергиям выше 1 ТэВ, и теоретики видели в них намеки на новые тяжелые частицы, что сулило целый фейерверк открытий. Другие отклонения касались свойств открытого накануне бозона Хиггса, из-за чего многие физики начали всерьез подозревать, что хиггсовский механизм в нашем мире вовсе не так скучен, как постулировалось в Стандартной модели. И наконец, были никем не предсказанные отклонения в редких распадах B-мезонов — хорошо известных частиц, которые исследуются вдоль и поперек уже несколько десятилетий.

Вряд ли кто-то считал, что все эти отклонения — реальны; несомненно, некоторые из них вызваны статистическими флуктуациями в небольшой статистике событий. Но в обсуждениях и спорах теоретиков по поводу этих отклонений явно чувствовалось ожидание, что стоит немного поднажать, накопить еще в несколько раз больше данных, и будет открыта Новая физика за пределами Стандартной модели, будет достигнута главная цель Большого адронного коллайдера.

В 2015 году стартовал второй сеанс работы коллайдера, LHC Run 2. Энергия столкновений возросла, статистика увеличивалась рекордными темпами — и по мере обработки поступавших данных экспериментаторы безжалостно закрывали одно отклонение за другим. К началу 2018 года все намеки на что-либо нестандартное в свойствах бозона Хиггса и в области больших масс исчезли.

Однако отклонения в распадах B-мезонов оказались на удивление стойкими. По мере того, как экспериментальные группы — в особенности, коллаборация LHCb — обрабатывали все новые и новые данные и улучшали методику анализа, погрешности уменьшались, но отклонения от Стандартной модели держались. Причем эти отклонения касались трех типов измерений, которые сильно различались и в методах обработки, и в объеме статистики, и в погрешностях теоретических расчетов (см. подробности на странице Загадки коллайдера за 2018 год). Каждое из этих расхождений с предсказаниями Стандартной модели, взятое по отдельности, не выглядело железобетонным открытием; статистическая значимость отклонения находилась в пределах 2–4 стандартных отклонений. Но все эти намеки, столь разные по своим проявлениям, удивительным образом не противоречили друг другу, а, наоборот, напрашивались на единое объяснение: что-то неладное творится при распадах B-мезонов на мюоны. На конференциях 2018 года именно обсуждение этих аномалий в распадах B-мезонов стало самой горячей темой в физике частиц (см. новость Moriond 2018: аномалии в распадах B-мезонов остаются горячей темой, «Элементы», 15.03.2018).

Одной их этих загадок было необъяснимое нарушение лептонной универсальности в распадах B-мезонов на К-мезоны и лептонную пару — либо электрон-позитронную e⁺e⁻, либо мюон-антимюонную μ⁺μ⁻. Это редкие распады, они происходят с вероятностью меньше одной миллионной. Такая малость возникает потому, что в рамках Стандартной модели не существует частицы, которая была бы способна напрямую превратить b-кварк внутри B-мезона в s-кварк внутри K-мезона. Этот процесс идет внутри мезона в несколько этапов и требует «помощи» тяжелых виртуальных частиц (рис. 2). Но раз вклад Стандартной модели так мал, то слабые эффекты гипотетической Новой физики, которые не удается заметить в других распадах, здесь могут стать существенными.

Рис. 2. Схематичное изображение распада B-мезона на К-мезон и мюон-антимюонную пару. Превращение b-кварка в s-кварк происходит сложным образом, и, возможно, в нем проявляют себя новые, неоткрытые пока частицы

Если бы вероятности каждого из этих распадов можно было теоретически предсказать с высокой точностью, то было бы достаточно сравнить измерения с расчетами. К сожалению, теоретические неопределенности в этих вероятностях слишком велики из-за того, что приходится обсчитывать превращение мезонов друг в друга; эта извечная беда адронной физики, и от нее никуда не деться. Однако отношение распадов — вероятность распада на Kμ⁺μ⁻ поделить на вероятность распада на Ke⁺e⁻ — предсказывается довольно надежно: ведь в обоих распадах мезоны одинаковые, и плохо вычисляемые параметры сокращаются. Это отношение, которое обозначается через R_K, в Стандартной модели практически равно единице.

Единица тут неслучайна. В рамках Стандартной модели постулируется свойство под названием лептонная универсальность. Это означает, что слабое взаимодействие действует одинаково (то есть, универсально) на лептоны любого сорта. Если какой-то эксперимент надежно покажет, что лептонная универсальность слабого взаимодействия нарушается, то отмахнуться от этого результата не получится — в Стандартной модели больше ничего нельзя менять, она полностью зафиксирована. Поэтому достоверное отличие R_K от единицы станет долгожданным открытием Новой физики; открытием, пусть и непрямым, но достойным Нобелевской премии.

В 2014 году коллаборация LHCb после анализа данных сеанса Run 1 сообщила о том, что R_K действительно заметно меньше единицы: его значение оказалось примерно равным 0,745 с погрешностью около 0,1. С одной стороны, различие существенное, почти на четверть. С другой стороны, погрешность велика: отклонение от единицы составило примерно 2,6 стандартных отклонений. В 2017 году было обнародовано аналогичное отклонение в распаде на возбужденный K*-мезон (На LHC обнаружен еще один намек на нарушение Стандартной модели, «Элементы», 20.04.2017). Это уже другой процесс, со своими тонкостями анализа, но и тут отношение (оно обозначается R_K*) было меньше единицы.

Реальны ли эти отклонения или же перед нам очередная «шутка природы», когда статистическая флуктуация сбивает физиков с толку? Ответить на этот вопрос, разумеется, могут только новые, более точные экспериментальные результаты. В 2018 году завершился сеанс набора данных Run 2, однако коллаборация LHCb продолжала методично анализировать данные, многократно перепроверяя все возможные источники погрешностей.

В 2019 году LHCb выпустила новую статью, посвященную отношению R_K (R. Aaij et al., 2019. Search for Lepton-Universality Violation in B⁺→K⁺ℓ⁺ℓ⁻ Decays). Статистика подросла, погрешности уменьшились, однако и отклонение от единицы тоже уменьшилось — и в результате статистическая значимость отклонения от Стандартной модели даже чуть-чуть ослабла. Складывалось ощущение, что и эта загадка коллайдера скоро сойдет на нет.

И вот на днях, после нескольких лет кропотливой работы, коллаборация LHCb наконец-то предъявила анализ всей статистики сеанса Run 2, которая примерно вдвое превысила выборку, использованную в 2019 году. Значение R_K оказалось равным примерно 0,846 ± 0,044, что отличается от единицы уже на 3,1 стандартных отклонения. На рис. 3 показано, как новое значение соотносится с предыдущими. Видно, что, по сравнению с результатом 2019 года, погрешность заметно уменьшилась, но центральное значение никуда не сдвинулось. Это очень обнадеживающий сигнал! За прошедшие годы экспериментаторы досконально изучили свою установку и методику анализа, знают все их слабые места и погрешности, умеют не только правильно их оценивать, но и компенсировать (в анализе использовалось не просто отношение, а двойное отношение, см. подробности в новости На LHC обнаружен еще один намек на нарушение Стандартной модели, «Элементы», 20.04.2017), а также способны надежно контролировать качество компенсации. Дабы не показалось, что экспериментаторы специально подгоняли данные под желаемый результат, стоит подчеркнуть, что вся методика анализа была отлажена и зафиксирована до того, как в анализ была добавлена новая порция данных.

Рис. 3. Результаты проверки лептонной универсальности через отношение R_K по данным различных экспериментов: в детекторах BaBar и Belle на электрон-позитронных коллайдерах и в детекторе LHCb на все возрастающей статистике. Черная точка с погрешностями — значение 2021 года. Вертикальный пунктир — предсказание Стандартной модели. График с сайта lhcb-public.web.cern.ch

Признаком все растущей уверенности самих экспериментаторов в реальность наблюдаемого отклонения служит и сама формулировка результата: не просто проверка лептонной универсальности, а указание на ее нарушение. Экспериментаторы обычно очень консервативны в своих заявлениях и такие слова на ветер не бросают. Наконец, стоит отметить, что новая статья направлена в журнал Nature Physics, что тоже нетипично для физики частиц. А поскольку статистическая погрешность все еще доминирует над систематической, можно быть уверенными, что новый сеанс работы коллайдера, LHC Run 3, который стартует в следующем году, позволит еще сильнее обнажить расхождение со Стандартной моделью, — если оно, конечно, сохранится. В дальней перспективе можно рассчитывать как минимум на трехкратное уменьшение погрешностей.

Как же следует интерпретировать отклонение, если оно реально? На этот счет у теоретиков уже есть десятки гипотез и моделей разной степени проработанности. Можно не сомневаться, что в ближайшие дни и недели появятся десятки новых теоретический работ с теми или иными вариантами объяснения или уточнениями прошлых расчетов. Но разбор теоретических интерпретаций — это уже другая история.

А тем временем, судя по синопсису на странице результатов LHCb, мы скоро узнаем и новые результаты LHCb по другим распадам B-мезонов. Хочется надеяться, что расхождение со Стандартной моделью обострится сразу по нескольким фронтам и детектор LHCb, неожиданно для многих, станет нашим флагманом в исследовании глубин микромира.

Источник: LHCb Collaboration. Test of lepton universality in beauty-quark decays // препринт arXiv:2103.11769 [hep-ex].

См. также:
1) Intriguing new result from the LHCb experiment at CERN — краткая новость на сайте ЦЕРНа.
2) Материалы семинара LHC Seminar в ЦЕРНе New results on theoretically clean observables in rare B-meson decays from LHCb, 23 марта 2021 года.

Игорь Иванов