Наука и образование

CMS обновил результаты по измерению вероятностей распадов прелестных мезонов в мюоны.

В июле 2022 года на 41-м Международном конгрессе по физике высоких энергий (ICHEP-2022) эксперимент CMS, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил о новом измерении вероятности редкого распада B_s⁰ → µ⁺µ^–. Результаты в пределах экспериментальных и теоретических неопределенностей согласуются с предсказаниями Стандартной Модели физики частиц (СМ).

В СМ распады типа B_(s)⁰ → ℓ⁺ℓ⁻ сильно подавлены. Это является следствием того, что основным механизмом превращения кварков одного аромата в другой являются заряженные токи (обмен W^± бозонами). Этот механизм отвечает за превращение «верхних» кварков (u, c, t), имеющих электрический заряд +2/3, в «нижние» (d, s, b) c зарядом −1/3, и наоборот. Переходы между кварками с одинаковым зарядом в СМ требуют привлечения сразу нескольких массивных виртуальных частиц, а значит они сильно подавлены. На фоне этих едва заметных процессов могут проявиться новые (для нас) фундаментальные частицы и взаимодействия, то есть эффекты за пределами Стандартной модели – эффекты Новой физики.

Изучение распадов B_(s)⁰ → µ⁺µ^– имеет ряд преимуществ. Во-первых, для их вероятности имеются надежные и довольно точные теоретические предсказания. Во-вторых, они относительно просто регистрируются в эксперименте, так как мюоны обладают большой проникающей способностью, а значит могут пролетать через калориметры детекторов, не поглощаясь в них, в то время как все остальные частицы, способные дать фоновый сигнал, отфильтровываются. Для таких детекторов, как LHCb, CMS и ATLAS, способных детектировать мюоны с высочайшей точностью на БАК, единственная, но в тоже время огромная сложность состоит в том, что для регистрации таких распадов нужно накопить гигантскую экспериментальную статистику.

В 2020-м году эксперименты ATLAS, CMS и LHCb совместно обновили результаты по измерению вероятности редких распадов B_s⁰ → µ⁺µ^– и B⁰ → µ⁺µ^–. Первый из них уже обнаружен, а для второго пока доступны лишь ограничения сверху на величину вероятности распада. В результате совместного анализа данных, набранных в ходе сеансов 2011-2012 и 2015-2016 годов, были получены так называемые контуры вероятности (см. рисунок 1) для парциальных ширин этих распадов. Квадратиком показано наиболее вероятное значение совместного анализа. Первый контур, нарисованный вокруг центрального значения, с вероятностью 68% (1σ-уровень) содержит истинное «положение» исследуемого параметра. Второй контур содержит его с вероятностью 95.5% (2σ), третий 99.7% (3σ) и так далее. Из представленного рисунка следует, что измерения расходятся с предсказаниями СМ на уровне примерно двух стандартных отклонений.

С одной стороны, такое отклонение было мало, чтобы говорить даже об указании на статистически значимое расхождение, с другой стороны, из-за того, что для этой наблюдаемой характерны малые систематические погрешности (как теоретические, так и экспериментальные), многие включали это 2σ-отклонение в список аномалий. Поэтому физическое сообщество с нетерпением ожидало новые результатов по этой тематике.

Год назад эксперимент LHCb опубликовал данные, полученные на всей накопленной статистике. Измеренная вероятность распада B_s⁰ → µ⁺µ^– снова оказалась ниже предсказаний СМ, правда уже на уровне одного стандартного отклонения (см. рисунок 2). И вот на престижной международной конференции ICHEP-2022 свои предварительные результаты для всей набранной статистики представил эксперимент CMS.

С использованием мультивариантных методов отбора полезных экспериментальных событий, физикам удалось выделить более 160 событий-кандидатов для распада B_s⁰ → µ⁺µ^–. Сигнал прекрасно отделяется от фона (см. рисунок 3). Полученные распределения позволили получить вероятность распада B_s⁰ → µ⁺µ^– и оценить верхний предел на вероятность распада B⁰ → µ⁺µ^–. Соответствующие контуры вероятности приведены на рисунке 4. Полученные результаты хорошо согласуются с предсказаниями СМ в рамках имеющихся экспериментальных и теоретических неопределенностей. Подробнее процедура анализа данных описана в специальном документе, доступном на сайте эксперимента CMS.

Процедура объединения результатов нескольких экспериментов довольно сложна. Чтобы получить корректные контуры вероятности, нужно учесть корреляцию систематических погрешностей. Однако, если попытаться предположить, как будут выглядеть объединенные результаты CMS и LHCb, полученные на всей доступной статистике, то, скорее всего, этот совместный результат будет более точным. Можно ожидать, что он будет находиться в согласии с предсказаниями СМ на уровне примерно одного стандартного отклонения. Таким образом, возможная аномалия, на данный момент, не подтверждается.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ внесли существенный вклад в проектирование и изготовление мюонной системы эксперимента CMS. В настоящее время они осуществляют ее поддержку и модернизацию, а также принимают активное участие в обработке и анализе данных CMS.