Наука и образование

Экспериментальные аномалии в физике элементарных частиц

В июне 2022 года в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ были объявлены итоги конкурса научных работ. Вторую премию в области ядерной физики высоких энергий получила работа «Изучение редких ди-мюонных распадов B⁰- и B_s⁰-мезонов», выполненная в рамках международного эксперимента LHCb сотрудниками Отделения физики высоких энергий. В этом материале мы постараемся рассказать о значении этой работы.

В современной физике частиц сложилось два подхода к поиску новых частиц и взаимодействий: прямой и косвенный. Первый подход заключается в том, что какая-то новая частица непосредственно рождается в ускорительных экспериментах, а продукты её распада детектируется. Ярчайшим примером может служить открытие бозона Хиггса экспериментами Большого адронного коллайдера (БАК). Второй подход базируется на том, что существование новых фундаментальных частиц оказывает влияние на характеристики уже известных физических систем. Под характеристиками можно понимать, как свойства самих частиц, так и параметры, описывающие взаимодействие частиц или их распады. Например, подавление вероятности распадов типа K⁰→ μ⁺μ^– на семь порядков величины свидетельствовало о существовании (неизвестного на тот момент) массивного очарованного кварка (с-кварк, GIM-механизм). Преимуществом косвенных методов является то, что указания на нечто новое начинают проявляться на более низких энергетических масштабах по сравнению с массами новых частиц. Поэтому поиск аномалий – отклонений от предсказаний Стандартной Модели (СМ) – одно из важнейших направлений современной экспериментальной физики.

На сегодняшний день известно несколько таких аномалий. Наиболее интересные приведены на рисунке 1. Их можно условно разделить на несколько групп:

1. Нарушение принципа лептонной универсальности в распадах прелестных мезонов, происходящее под действием нейтральных (наблюдаемые R_H) и заряженных (наблюдаемые R(H)) токов. Подробнее о состоянии дел в этой области можно узнать из доклада заведующего Лабораторией барионной физики Алексея Дзюбы на Семинаре ОФВЭ (слайды, запись доклада);
2. Аномальный магнитный момент мюона (наблюдаемая Muon g – 2);
3. Измерение характеристик распадов B мезонов (наблюдаемые P₅’, 𝓑).

О третьей группе следует поговорить подробнее. Все наблюдаемые (кроме последней) относятся к измерениям характеристик ди-мюонных распадов. В СМ распады прелестных мезонов с испусканием в конечном состоянии пары µ⁺µ^– (может также сопровождаться испусканием одного или нескольких адронов) описываются при помощи петлевых диаграмм. Вероятности таких процессов существенно подавлены. При этом их характеристики могут быть рассчитаны теоретически с хорошей точностью. Отклонение экспериментально полученных результатов от теоретических предсказаний будет являться свидетельством существования новых фундаментальных частиц и взаимодействий, выходящих за рамки современной теории.

Целью работы, которая получила вторую премию в области ядерной физики высоких энергий на конкурсе работ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, являлось: измерение характеристик распадов B_s⁰ → µ⁺µ^–; изучение дифференциальных характеристик редких распадов B_s⁰ → φµ⁺µ^–; поиск экспериментально не наблюдавшихся ранее распадов подобного типа.

О ситуации, сложившейся с распадами B_(s)⁰ → µ⁺µ^–, мы недавно писали. Остановимся подробнее на измерениях угловых и массовых характеристик распада B_s⁰ → φ(→K⁺K^–)µ⁺µ^–. Оно производилось с использованием набора данных, накопленных экспериментом LHCb в ходе первого и второго этапа работы Большого адронного коллайдера (2011-18 гг.) при энергиях в системе центра масс взаимодействующих протонов 7, 8 и 13 ТэВ. Использование так называемых мультивариантных критериев отбора позволило выделить 1530 ± 52 событий-кандидатов для этого распада. Для реконструированных частиц был проведен анализ массовых и угловых распределений. В частности, было получено распределение вероятности распада B_s⁰ → φµ⁺µ^– в зависимости от q² – квадрата массы мюонной пары (см. рисунок 2). Сравнение экспериментально полученных распределений dB(B_s⁰ → φµ⁺µ^–)/dq² с теоретическими расчетами показало расхождение между ними в области малых q² на уровне 3,6 стандартных отклонения.

Следует подчеркнуть, что среди всех аномалий эта характеризуется самой большой теоретической неопределенностью, связанной с учетом влияния эффектов квантовой хромодинамики (КХД). Как видно из рисунка 2, эти неопределенности во всём диапазоне величины q² превосходят экспериментальные погрешности определения вероятности распада. Остается надеяться, что со временем точность расчета КХД-поправок будет улучшена.

Помимо измерений характеристик распадов B_s⁰ → φµ⁺µ^–, эксперимент LHCb осуществлял поиск экспериментально не наблюдавшихся ранее распадов подобного типа. Так, был исследован диапазон масс системы K⁺K, располагающийся выше массы φ-мезона. Впервые обнаружен сигнал, интерпретированный как проявление редкого распада B_s⁰ → f₂’(1525)µ⁺µ^– (см. рисунок 3). В дальнейшем измерения характеристик открытого распада может также быть использовано для проверок предсказаний, выполненных в рамках СМ.

В заключение следует отметить, что сотрудники ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимали активное участие в разработке, проектировании, запуске и поддержанию в рабочем состоянии (в том числе в течение всех экспериментальных сеансов набора данных) мюонной системы детектора LHCb, информация с которой использовалась для выделения сигнала от распадов B_s⁰-мезонов c парой μ⁺μ⁻ в конечном состоянии. Также сотрудники Института участвовали в обсуждении и внутреннем рецензировании этой работы в рамках процедур LHCb.