Пресс-центр

Физики вплотную приблизились к регистрации распада K^+→π^+ ν¯ν

В понедельник, 23 сентября, в ЦЕРНе состоялся семинар, на котором физики из эксперимента NA62 рассказали о поисках очень редкого распада каона – K⁺→π⁺νν. Обработав экспериментальную статистику, набранную в 2017 году, экспериментаторы сумели выделить несколько интересных событий-кандидатов.

Мы не раз рассказывали об исследованиях распадов адронов (частиц, состоящих из кварков и испытывающих сильное взаимодействие), протекающих под действием так называемых нейтральных токов, нарушающих аромат. В основе этих процессов лежат переходы между кварками одного вида - верхними (u, c, t) или нижними (d, s, b). В Стандартной Модели физики элементарных частиц (СМ) не существует частицы-переносчика, испустив которую можно обеспечить протекание таких процессов. Они возможны только благодаря возникновению в промежуточном состоянии сразу нескольких виртуальных частиц СМ, что сильно подавляет вероятность таких процессов. Примером может служить переход , описываемый диаграммами, приведенными на рисунке 1. Эксперименты Большого адронного коллайдера изучают распады тяжелых (прелестных и очарованных) адронов, индуцированные такими превращениями, однако в ЦЕРНе имеется экспериментальная программа, нацеленная на изучение редких распадов более частиц – каонов. На этой неделе эксперимент NA62 представил новые данные по распаду K⁺→π⁺νν‾.

Физики-теоретики умеют довольно точно (с погрешностью 10%) предсказывать абсолютную вероятность распадов K⁺→π⁺νν‾. По их расчетам она составляет (0.84 ± 0.10)×10^–10, т.е. на 100 миллиардов родившихся K⁺-мезонов, меньше десятка распадутся по такому каналу. Найти эти распады – сложная экспериментальная задача, требующая создания сложной установки. Если будет зафиксировано существенное отличие измеренной вероятности от теоретических предсказаний, то это будет свидетельством проявления новых фундаментальных взаимодействий.

Проблема с поиском таких распадов состоит в том, что K⁺-мезоны имеют большое время жизни. Существует два экспериментальных подхода к поиску таких распадов: распад остановленных K⁺ мезонов и исследование распадов "на лету". Именно вторым путем пошли физики эксперимента NA61. Схема построенной ими экспериментальной установки приведена на рисунке 2.

Полная длина экспериментальной установки превышает 250 метров. Пучок вторичных частиц (доля каонов в нем составляет 6%) получают, направляя пучок протонов c импульсом 400 ГэВ/c с укорителя SPS на тяжелую мишень. Частицы вторичного пучка (их импульс 75 ГэВ/c) подаются на систему разметки (таггирования), которая определяет сорт каждой частицы. Детекторная подсистема, определяющая, что в распадный канал поступает именно каон, состоит из черенковского счетчика (KTAG) и трекерной системы (GTK и CHANTI). Распадный канал представляет огромную вакуумную трубу. Пионы из распадов K⁺→π⁺νν‾  должны регистрироваться системой треккинга (STRAW), сцинтилляторами (CHOD), детектором черенковского излучения (RICH) и калориметрической системой (LKr, MUV1,2). В системе предусмотрены детекторы идентифицирующие фотоны, электроны и мюоны, чтобы отбрасывать события с распадами, содержащими в конечном состоянии эти частицы.

Идентификация распадов K⁺→π⁺νν‾  проводится по попаданию предварительно отобранных событий в те регионы двумерного спектра импульса пиона – квадрата недостающей (незафиксированной детектором) массы, для которых вероятность появления фоновых событий мала. Фон в основном определяется пионами, рассеявшимися или родившимися во входном детекторе. Экспериментаторы рассчитали, что среднее число фоновых частиц, которые могут оказаться в том регионе, где фиксировался сигнал, составляет всего полторы штуки. При этом предсказания СМ дают оценку для ожидаемого сигнала, равную примерно двум событиям. Очевидно, что при таких условиях установка пока что не чувствительна к сигналам на уровне СМ. Однако, если реализуется тот сценарий Новой физики, в котором вероятность распада каона на пион и пару нейтрино-антинейтрино существенно превышает вероятность известных процессов, то такое превышение может быть достоверно зафиксировано.

Проведя слепой анализ и оценив ожидаемый вклад сигнала и фона, физики открыли сигнальную часть спектра. В данных 2017 года в сигнальной области было обнаружено два события-кандидата. Еще одно было найдено ранее в небольшом наборе данных, набранных в 2016 году. Данные 2018 года, которые позволят утроить набранную статистику сейчас обрабатываются. Три события-кандидата соответствуют верхнему пределу на вероятность распада K⁺→π⁺νν‾, составляющую <1.85×10^–10 при уровне достоверности 90%. До чувствительности на уровне СМ осталось совсем немного. Можно сказать, что физики вплотную приблизились к регистрации распада K⁺→π⁺νν‾.

Видеозапись семинара, на котором обсуждались новые результаты эксперимента NA62, доступна онлайн. В заключении следует отметить, что в этом измерении активно участвуют сотрудники Института физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» (г. Протвино).