Редкие распады B-мезонов: результаты

Текущая ситуация

Редкие распады мезонов, в особенности B-мезонов, позволяют заметить эффекты Новой физики даже без прямого рождения новых тяжелых частиц. Три основных класса задач — это детальное изучение полулептонных и радиационных распадов, открытие и измерение вероятности лептонных распадов и поиск распадов, запрещенных в Стандартной модели. Перед запуском LHC наибольшие ожидания связывались с распадом на μ⁺μ⁻-пару, за которым физики охотятся уже свыше 30 лет (см. рис. 1 внизу), но и другие распады могли преподнести сюрпризы. Во всех этих поисках центральную роль играет детектор LHCb, специально построенный для таких измерений. Коллаборация CMS тоже часто выдает сравнимые результаты, а детектор ATLAS заметно отстает.

По состоянию на сентябрь 2017 года ситуация такова:

Если учитывать не только последние данные LHC, но и результаты других коллайдеров, то источником всей новой информации здесь являются регулярно обновляемые сводки, которые выполняет группа HFAG.

Распады на мюонную пару

В рамках Стандартной модели вероятности двух распадов \(B_{s} \to \mu\mu\) и \(B \to \mu\mu\) можно предсказать теоретически, и они равняются P(B_s) = (3,56 ± 0,30)·10⁻⁹ и P(B) = (1,0 ± 0,1)·10⁻¹⁰. Это исключительно редкие распады, и для того, чтобы их заметить, требуется накопить статистику в несколько миллиардов распознанных B-мезонов.

На рис. 1. приведена сводка результатов 30-летнего поиска и измерения этих распадов, на рис. 2 показаны текущие данные LHCb. На первом графике обратите внимание на «коллайдерную драму» 2011 года. Коллаборация CDF тогда объявила о первых намеках на этот распад и на 6-кратное превышение его вероятности по сравнению со СМ. Однако через месяц коллаборации CMS и LHCb опровергли это заявление. И уже несколько лет спустя, когда распад был окончательно зарегистрирован, стало ясно, что CDF увидела лишь статистическую флуктуацию.

Рис. 1. Многолетняя история поиска распада B_s (голубой цвет) и B-мезонов (красный цвет) на мюонную пару. Символы со стрелочкой вниз — ограничения сверху на вероятность распада, символы с погрешностями — результаты измерений. Источник изображений

Рис. 2. Пик, отвечающий B_s-мезону, в распределении по инвариантным массам мюонной пары в событиях, прошедших тщательный отбор. Источник изображений

Этапы поиска и измерения в обратном хронологическом порядке:

• LHCb представила новые измерения распадов прелестных мезонов на мюонную пару (апрель 2017) — обработав первые данные Run 2, LHCb в одиночку измерила вероятность с рекордной точностью: P(B_s) = (3,0±0,6)·10⁻⁹. Для B-мезона получена оценка P(B) = (1,5^+1,2_–1,0)·10⁻¹⁰. Оба значения согласуются со Стандартной моделью.
• ATLAS не проясняет ситуацию с распадом B-мезона на мюоны (апрель 2016).
• Опубликованы окончательные результаты CMS и LHCb по сверхредким распадам B-мезонов (ноябрь 2014). В мае 2015 года статья была опубликована в журнале Nature.
• Результаты CMS и LHCb по распаду B_s→μμ объединены (июль 2013) — объединение результатов двух детекторов дало вероятность P(B_s) = (2,9±0,7)·10⁻⁹, что не противоречит СМ. Появился также намек на второй, еще более редкий распад: P(B) = (3,6±1,4)·10⁻¹⁰.
• CMS и LHCb обновили данные по сверхредкому распаду B_s→μμ (июль 2013) — обе коллаборации видят распад на уровне статистической значимости 4σ.
• Детектор LHCb видит важнейший сверхредкий распад B_s-мезонов (ноябрь 2012) — LHCb получила указание на существование распада; оценка вероятности P(B_s) = (3,2±1,2)·10⁻⁹.
• Детектор CMS скоро начнет чувствовать сверхредкий распад B_s-мезонов (февраль 2012) — коллайдер на подходе к открытию. Ограничение сверху на вероятность P(B_s) < 7,7·10⁻⁹.
• LHC не подтверждает еще один результат CDF (август 2011) — критический момент «коллайдерной драмы» 2011 года.

Кварковое превращение b → s + лептоны

Неизвестные пока явления в кварковом распаде \(b\to s\ell\ell\) стали причиной отклонений, наблюдающихся в распадах \(B \to K^*\mu\mu\) и \(B_s \to \phi\mu\mu\), а также нарушения лептонной универсальности слабого взаимодействия в распадах \(B^+\to K^+\ell\ell\).

• На LHC обнаружен еще один намек на нарушение Стандартной модели (апрель 2017) — нарушение лептонной универсальности видно и в распаде с участием возбужденного K-мезона.
• Аномалия в распадах B-мезонов подтверждается еще в одном эксперименте (май 2016) — японский детектор Belle подтверждает отклонения, обнаруженные LHCb.
• Анализ полной статистики Run 1 подтверждает аномалию в распаде B→K^*μμ (декабрь 2015) — ситуация становится всё более драматичной.
• LHCb подтверждает еще одно отклонение в распадах B_s-мезонов (июль 2015) — в игру вступает распад \(B_s \to \phi\mu\mu\), в котором обнаружено отклонение от СМ на 3,5σ.
• Коллаборация LHCb подтверждает отклонение в распаде B-мезонов (апрель 2015) — отклонение в распаде \(B \to K^*\mu\mu\) присутствует и в новых данных.
• LHCb видит неожиданное отклонение от лептонной универсальности (июнь 2014) — первое указание на совершенно неожиданное отклонение от лептонной универсальности слабого взаимодействия.
• Детектор LHCb видит странности в распадах B-мезонов (август 2013) — первый намек на аномалию в распаде \(B \to K^*\mu\mu\).

Прочие редкие распады

• Коллаборация LHCb отчиталась о поиске редкого распада B-мезонов на пару тау-лептонов (март 2017) — хотя этот распад в сотни раз более частый, чем на мюонную пару, его зарегистрировать труднее из-за распада тау-лептонов. Пока получены лишь ограничения сверху.
• LHCb открыл рекордно редкий адронный распад B-мезонов (сентябрь 2016) — обнаружен распад B→K⁺K⁻ c вероятностью 78±15 миллиардных.
• LHCb продолжает открывать новые редкие распады B-мезонов (апрель 2015) — LHCb видит распады B-мезонов на легкие мезонные пары.

Дополнительные ссылки

• Загадки коллайдера — подборка отклонений от СМ, обнаруженных на LHC, несколько из которых относятся к редким распадам B-мезонов.
• Тематические страницы коллабораций:
  • LHCb: B-физика, общая страница результатов, и дайджест интересных результатов;
  • CMS: B-physics and quarkonia;
  • ATLAS: B-physics.
• Обзорные публикации:
  • Paoti Chang, Kai-Feng Chen, Wei-Shu Hou, Flavor Physics and CP Violation // е-принт arXiv:1708.03793 — самый современный обзор результатов, включая отклонения от СМ, найденные на LHC.
  • HFAG Coll. Averages of b-hadron, c-hadron, and tau-lepton properties as of summer 2016 // е-принт arXiv:1612.07233 — детальный отчет группы HFAG, включающий и данные LHC. Более ранние данные см. на странице группы HFAG.
  • Thomas Blake, Gaia Lanfranchi, David M. Straub, Rare B Decays as Tests of the Standard Model // Prog. Part. Nucl. Phys. 92, 50 (2017).
  • Implications of LHCb measurements and future prospects (август 2012 года) — обзор результатов LHCb на статистике 2011 года.

 
Предыдущую версию этой страницы, по состоянию на конец 2013 года, см. здесь.