LHCb измерил новый распад прелестного бариона, но не смог решить давнюю загадку

Рис. 1. Разница между эксклюзивными и инклюзивными распадами на примере B-мезона. В эксклюзивном распаде речь идет про какую-то конкретную частицу в конце, в инклюзивном — производится суммирование по всем частицам с нужным кварковым составом

Коллаборация LHCb сообщает о регистрации еще одного редкого распада прелестного бариона \(\Lambda_b\) — на протон и лептоны. Благодаря ему удалось по-новому взглянуть на превращение b-кварка в u-кварк — загадочный процесс, в котором уже давно существует необъяснимое расхождение между двумя методами измерения. Новый результат отдает четкое предпочтение одному методу и сильно расходится с результатами другого, но полностью проблему он не устраняет.

Коллаборация LHCb, обрабатывая статистику сеанса LHC Run 1 и измеряя всё новые и новые свойства прелестных адронов, продолжает выдавать результаты, существенно меняющие наше понимание разных аспектов физики адронов. В своей новой статье Determination of the quark coupling strength |V_ub| using baryonic decays, опубликованной на днях в журнале Nature Physics и доступной также в архиве е-принтов, коллектив сообщает о наблюдении нового полулептонного распада прелестного бариона \(\Lambda_b\), того самого, который недавно помог им открыть тяжелый пентакварк (см.: Открыт адрон нового типа — пентакварк со скрытым очарованием, «Элементы», 15.07.2015). На этот раз LHCb использовала его для измерения вероятности превращения b-кварка в u-кварк — процесса, с которым в физике частиц связана давняя загадка.

Как и всякие превращения кварков друг в друга, переход \(b\to u\) происходит под действием слабого взаимодействия. Стандартная модель эти переходы не может объяснить, она их только описывает численной матрицей кваркового смешивания (за открытие этого способа описания превращений кварков, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике в 2008 году). Числа, стоящие в этой матрице, требуется измерять экспериментально — и чем лучше они будут измерены, тем больше у физиков будет шансов угадать их закономерности и понять, откуда они, собственно, берутся.

Переход \(b\to u\) описывается элементом этой матрицы, обозначаемым |V_ub|. Это число составляет примерно 4 тысячных, и из-за этого вызываемые таким переходом распады имеют маленькую вероятность и трудны для измерения. Тем не менее они были зарегистрированы уже давно, что и позволило определить |V_ub|. Беда в том, что два разных метода измерения упорно дают значения, сильно расходящиеся друг с другом, и физики до сих пор не понимают — почему.

Эти два метода измерения — через инклюзивные и через эксклюзивные распады — различаются вот чем. Нас интересует вероятность кваркового превращения, но, поскольку кварки сидят внутри адронов, мы в эксперименте можем измерять лишь распады адронов (рис. 1). Для этого мы можем использовать эксклюзивные распады, с какими-то конкретными частицами в начале и в конце, а можем инклюзивные — это когда мы суммируем по всем конечным адронам с нужным кварковым составом. Эти два метода позволяют, при поддержке теоретиков, извлечь одну и ту же величину — в нашем случае |V_ub|, — но они сильно различаются своими экспериментальными и теоретическими тонкостями.

За последние десятилетия было проведено немало измерений распадов B-мезонов, прежде всего в экспериментах Belle и BaBar на e⁺e⁻-коллайдерах, которые позволили измерить |V_ub| обоими методами. Их результаты сильно различаются. Из инклюзивных распадов получилось \(|V_{ub}| = (4,\!41 \pm 0,\!15 {}^{+0,15}_{-0,17})\cdot 10^{-3}\), из эксклюзивных — заметно меньшее число \( (3,\!28 \pm 0,\!29)\cdot 10^{-3}\). Расхождение существенное, на три стандартных отклонения; списать его на неточность теоретических расчетов или найти ему какое-то иное разумное объяснение не удается. Это либо какой-то дефект экспериментальной методики (но которой из них?), либо новое физическое явление. Даже в другом, более вероятном переходе b-кварка в c-кварк наблюдаются похожие «трения». Проблема эта стала настолько раздражать физиков, что в этом году была проведена специальная научная конференция, целиком посвященная «непослушным» распадам b-кварка.

В новой статье коллаборация LHCb сообщает о том, что она впервые измерила еще один эксклюзивный распад: \(\Lambda_b \to p \mu^- \bar \nu\). Это исследование характеризуется словом «впервые» сразу в нескольких смыслах. Во-первых, этот распад вообще зарегистрирован впервые. Так получилось потому, что на e⁺e⁻-коллайдерах \(\Lambda_b\)-барионы не рождались, зато Большой адронный коллайдер их производит в больших количествах. Во-вторых, это первый процесс превращения b-кварка в u-кварк, который «увидел» детектор LHCb. В-третьих, это первый случай измерения величины |V_ub| в барионном, а не мезонном распаде.

Тут еще есть и совсем любопытный момент. Десять лет назад считалось, что на адронном коллайдере измерить |V_ub| просто нереально. Поэтому коллаборация LHCb вообще-то даже не рассчитывала, что ей удастся измерить этот распад и зарегистрировать переход \(b\to u\). К своему удивлению, они это сделать смогли — сказалось и высокое качество самого детектора, и шагнувшие далеко вперед методы обработки и анализа данных. Так что это еще и важный «метарезультат» сеанса работы LHC Run 1: коллайдер в очередной раз смог сделать больше, чем от него ожидали вначале.

Что касается самого измерения \(\Lambda_b \to p \mu^- \bar \nu\), то основная трудность тут заключается в том, что искомый сигнал приходится отделять от большого фона \(\Lambda_b \to \Lambda_c^+ \mu^- \bar \nu\) (в этом распаде b-кварк распадается на c-кварк). Барион \(\Lambda_c^+\) живет намного меньше, чем \(\Lambda_b\), — взгляните на шкалу времен жизни элементарных частиц, — и он тоже распадается с испусканием протона. Однако в этом случае из вторичной вершины вылетает не только протон и мюон, но и пара других заряженных частиц (рис. 2). Эта особенность помогает отделить сигнал от фона.

Рис. 2. Общий вид разлета частиц в искомом событии (слева) и в фоновом событии (справа). Их удается разделить благодаря тому, что в сигнальном событии из вторичной вершины вылетают только две заряженные частицы, а в фоновом — несколько. Изображение из доклада U. Egede, 2015.|V_ub|: Experimental issues @LCHb

Отделив сигнал от фона, физики не выбросили эти фоновые события, а, наоборот, аккуратно их пересчитали. Величина, фактически измеренная в эксперименте, — это отношение количества сигнальных событий к фоновым. Это очень удобно, потому что в таком отношении сокращаются некоторые систематические погрешности. Из этого отношения была извлечено отношение |V_ub|/|V_cb|, из которого уже, опираясь на другие данные и на совсем недавние теоретические расчеты, физики и получили искомую величину |V_ub|.

Результат этого многоступенчатого анализа таков: \(|V_{ub}| = (3,\!27 \pm 0,\!15 \pm 0,\!16 \pm 0,\!06)\cdot 10^{-3}\), где первая погрешность — чисто экспериментальная, а две другие — теоретические. Это значение полностью совпадает с тем, что дают эксклюзивные распады B-мезонов, и, как следствие, сдвигает общий баланс сил в их пользу. Однако оно не дает разрешения загадки: новое измерение еще сильнее, уже на 3,5σ, расходится с результатами инклюзивных распадов (рис. 3). Возможно, надо попробовать найти новый способ измерения инклюзивных распадов, возможно, надо снова сесть и разбираться с теоретическими расчетами. Так или иначе, но это измерение — далеко не последнее слово LHCb. Поверив в свои силы, эта группа теперь попробует измерить |V_ub| и иными способами.

Рис. 3. Три группы измерений параметра |V_ub|: инклюзивные (зеленый) и эксклюзивные (красный) распады B-мезонов, а также новый результат LHCb (синий). Изображение из доклада U. Egede, 2015.|V_ub|: Experimental issues @LCHb

Новое измерение, между прочим, закрывает одну достаточно наивную попытку разрешить дилемму с помощью Новой физики. Раньше, когда конфликтовали только два числа, извлеченные из инклюзивных и эксклюзивных распадов B-мезонов, оставалась теоретическая возможность согласовать их друг с другом с помощью нового взаимодействия определенного типа. Результат LHCb закрывает эту возможность. Три полосы на рис. 4, отвечающие трем разным результатам в рамках гипотезы о новом взаимодействии, не пересекаются все три ни в одном месте.

Рис. 4. Величина |V_ub|, извлеченная из инклюзивных (красная полоса), эксклюзивных (синяя полоса) и новых данных LHCb (зеленая полоса) в предположении о существовании нового типа сил. Параметр ε_R (по горизонтали) показывает интенсивность этой гипотетической силы; значение ε_R = 0 отвечает Стандартной модели. Три полосы нигде не сходятся в одну точку. Желтый эллипс — формальное усреднение результатов; оно плохо согласуется со всеми тремя измерениями. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature Physics

Видимо, тут действительно имеется какая-то трудноуловимая ошибка или в самой экспериментальной методике, или в теоретической интерпретации данных, и физикам придется дальше ее искать. Ну а желающие почувствовать, в какие тонкости при этом приходится вникать, могут взглянуть на совсем недавнюю статью — обсуждение ровно этой загадки.

Источник: The LHCb collaboration. Determination of the quark coupling strength |V_ub| using baryonic decays // Nature Physics. 2015. DOI: 10.1038/nphys3415.

Игорь Иванов