Наука и образование

Новая проверка принципа лептонной универсальности от LHCb

18 октября в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) состоялся семинар, на котором эксперимент LHCb представил результаты новых измерений, посвященных проверке принципа лептонной универсальности в распадах B мезонов. Измерено отношение вероятностей распадов B→D^(*)τ^–ν_τ и B→D^(*)μ ^–ν_μ. Отклонение совокупности мировых результатов от предсказаний Стандартной модели физики частиц (СМ) превышает три стандартных отклонения.

В СМ распады вида B→D⁰l^–ν_l и B→D^*l^–ν_l, где l обозначает мюон (μ) или тау-лептон (τ), описываются при помощи обмена заряженным W бозоном (см. рисунок 1, слева). Это достаточно частые процессы. Отношение их интенсивностей

R(D^*) = B(B→D*τ^–ν_τ) / B(B→D*μ^–ν_μ),

R(D) = B(B^–→D⁰τ^–ν_τ) / B(B^–→D⁰μ^–ν_μ)

точно предсказывается в рамках СМ и определяется только массой лептонов, образовавшихся в конечном состоянии. Однако, если помимо частиц СМ существуют новые фундаментальные частицы (например, электрически заряженные бозоны Хиггса или лептокварки), которые по-разному связаны с μ и τ, то отношение вероятностей распадов для мюонов и тау-лептонов сдвинется относительно предсказаний. Так, измеренные значения величин R(D⁰) и R(D^*) превышали предсказания СМ на уровне порядка трёх стандартных отклонений.

В октябре 2022 года на семинаре ЦЕРН эксперимент LHCb представил новые измерения R(D⁰) и R(D^*), выполненные на данных, набранных в ходе первого этапа работы БАК в 2011-12 гг. Важным является то, что впервые для LHCb величины R(D⁰) и R(D^*) измерялись одновременно. Анализ экспериментальных данных основан на регистрации продуктов распада очарованных мезонов и мюонов (так как исследовались распады τ на мюон и два нейтрино). Это весьма затруднительно, поскольку в конечном состоянии присутствуют нейтрино, которые не регистрируются (см. рисунок 2, пунктирные линии). Это приводит к тому, что сигнал размазывается и его сложно отделить от событий фоновых процессов.

В результате измерений были получены следующие значения с двумя погрешностями:

R(D^*) = 0.281 ± 0.018 ± 0.024 и R(D) = 0.441 ± 0.060 ± 0.066,

где первая погрешность носит статистический, а вторая систематический характер. При этом наблюдается заметная корреляция между R(D⁰) и R(D^*). Новые результаты согласуются с предсказаниями СМ на уровне 1,9σ. Объединение новых результатов LHCb с предыдущими результатами LHCb, Belle и BaBar показано на рисунке 3. Усредненное значение не сильно изменилось. Объединенные экспериментальные результаты по-прежнему находятся в противоречии с предсказаниями СМ. Статистическая значимость отклонения составляет 3,2σ. В этих условиях, следующим важным шагом будет применение разработанных методов анализа данных для статистики, набранной в ходе второго этапа работы БАК.

Подробнее об этих результатах можно узнать из материалов семинара ЦЕРН.

В заключении следует отметить, что измерения стали возможны в том числе благодаря стабильной работе мюонной системы эксперимента LHCb, которая была разработана, создана, введена в эксплуатацию и эксплуатировалась благодаря усилиям сотрудников Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ.