Наука и образование

LHCb проверил принцип лептонной универсальности в распадах Λb0

На проходящей в эти дни международной конференции Lepton-Photon эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об обнаружении распада Λ_b⁰→ Λ_c⁺τ^–-ν_τ и представил новые данные по проверке принципа лептонной универсальности для распадов такого типа. Результаты измерений находятся в согласии предсказаниями Стандартной Модели.

Мы уже не раз рассказывали о проверке принципа лептонной универсальности для редких ди-лептонных распадов прелестных адронов (1, 2, 3, 4, 5). Напомним, что с точки зрения СМ отличие в вероятности распадов, проходящих с испусканием электрона (e), мюона (μ) и тау-лептона (τ), определяется только разницей масс этих частиц. Интрига заключается в том, что эксперимент LHCb систематически «недосчитывается» распадов с образованием мюон-антимюонных пар по отношению к числу распадов с испусканием электрон-позитронных пар. Однако, это не единственная загадка современной экспериментальной физики. Для прелестных мезонов, то есть для мезонов, содержащих в своем составе тяжёлый b-кварк, наблюдается повышенная вероятность распада по каналам с испусканием τ и антинейтрино соответствующего аромата (ν_τ) по отношению к мюонному каналу. Говорить об обнаружении нарушения принципа лептонной универсальности в таких полулептонных распадах пока, конечно, ещё очень рано, но любые новые измерения в этой области вызывают интерес у физического сообщества.  

На проходящей в эти дни международной конференции Lepton-Photon 2021 эксперимент LHCb объявил об обнаружении распадов Λ_b⁰→ Λ_c⁺τ^-ν_τ. Так как вероятность распада по каналу Λ_b⁰→Λ_c⁺μ^–ν_μ уже экспериментально известна (из эксперимента DELPHI), то можно проверить соблюдение принципа лептонной универсальности.

Следует отметить, что регистрация полулептонных распадов очень трудная задача с точки зрения экспериментальной физики. Дело в том, что в таких распадах всегда образуется нейтрино, которое невозможно зарегистрировать в условиях БАК. Для распадов с образованием τ ситуация еще сложнее – в таких распадах в конечном образуются дополнительные нейтрино из распада этого лептона, а значит распад восстанавливается лишь частично. Тем не менее экспериментаторам удалось зафиксировать вклад Λ_b⁰→ Λ_c⁺τ^-ν_τ. Для этого они полностью восстановили распад Λ_c⁺ бариона на протон, каон и пион (Λ_c ⁺→pK⁻π⁺), и частично восстановили распад τ на три электрически заряженных пиона и нерегистрируемые нейтральные частицы (см. рисунок 1). Эта цепочка каналов позволяет установить в какой точке пространства распались барион и тяжелый лептон и использовать топологические критерии отбора. Мультивариантный анализ позволил впервые выделить 350 событий-кандидатов распада Λ_b⁰→ Λ_c⁺τ^-ν_τ, а также измерить вероятность этого распада по отношению к другому каналу распада прелестного бариона: Λ_b⁰→ Λ_c⁺π⁺π^– π⁺.

Для проверки принципа лептонной универсальности вычислялась отношение вероятностей тау-лептонного и мюонного каналов. Величина отношения составила:

R(Λ_c⁺) = B(Λ_b⁰→ Λ_c⁺τ^–ν_τ)/B(Λ_b⁰→ Λ_c⁺μ^–ν_μ) = 0.242 ± 0.026 ± 0.040 ± 0.059.

Здесь первая погрешность носит статистический характер, вторая отражает систематику, а третья соответствует современным знаниям вероятности калибровочных каналов распада Λ_b⁰. СМ предсказывает для этой величины значение 0.324 ± 0.004. Таким образом измерения находятся в согласии с предсказаниями теории.

Примечательно, что измеренная величина R(Λ_c⁺) оказалась меньше предсказанной. В случае прелестных мезонов для аналогично определенных наблюдаемых R(D^*) и R(J/ψ) это было наоборот (см. рисунок 2). В следующих сеансах работы БАК экспериментаторы планируют накопить больше данных и проверить принцип лептонной универсальности ещё точнее.

В заключение отметим, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в эксперименте LHCb и являются соавторами данного исследования. Подробнее с его результатами можно познакомиться в препринте научной статьи, направленной в реферируемый журнал.