Пресс-центр

Представлены новые результаты по поиску нарушения лептонной универсальности

На проходящей в эти дни во Франции конференции по физике элементарных частиц Rencontres de Moriond были представлены новые экспериментальные результаты по исследованию нарушения лептонной универсальности. Эксперимент LHCb (проводится на БАК) выпустил работу по распадам типа B⁺ → K⁺l⁺l^- (l = µ, e). Пока измерения расходятся с предсказаниями Стандартной Модели (СМ) физики элементарных частиц на уровне 2,5 σ.

С точки зрения СМ разница между лептонами различных поколений, то есть между электронами (e), мюонами (µ) и тау-лептонами (τ) обусловлена только различной массой этих частиц, а сами константы слабого и электромагнитного взаимодействий для них идентичны. Однако, это правило, получившее название лептонной универсальности, может быть нарушено в физике за пределами СМ. Частицы Новой физики (НФ) могут по-разному взаимодействовать с e, µ и τ, и это взаимодействие может также влиять и на вероятности распадов обыкновенных частиц СМ. Такое влияние может возникать потому, что частицы НФ (даже если они очень массивные) могут появляться в промежуточных состояниях распада; распады чувствуют проявление виртуальных частиц. Поэтому проверка лептонной универсальности одна из основных задач экспериментов, занимающихся изучением распадов частиц, содержащих тяжелые кварки. Это один из косвенных методов поиска НФ. Для поиска таких эффектов очень подходят распады, в которых b-кварк переходит в s-кварк. В СМ, чтобы описать этот переход, нужно привлекать несколько уже известных массивных виртуальных частиц, поэтому его вероятность подавлена. На фоне этой малой величины могут стать заметны эффекты НФ – например гипотетические Z’ резонансы (см. рисунок 1).

Мы уже сообщали о работах LHCb по изучению лептонной универсальности в распадах типа B⁰ → K^*l⁺l^-, а также об изучении распадов типа B_c⁺➝J/ψτ⁺ν_τ. и B_c⁺➝J/ψμ⁺ν_μ (т.е. об измерении величины R(J/ψ) ). В этой заметке речь пойдет о другой величине – о вероятности R(K⁺). Определяются она следующим образом:

R(K⁺) = BR(B⁺ → K⁺µ⁺µ^-) /BR(B⁺ → K⁺e⁺e^-).

Здесь под BR понимают вероятность распада по тому или иному каналу. Для R(K⁺)  СМ дает очень точные предсказания, так как погрешности, связанные с сильновзаимодействующими частицами, сокращаются в отношении, а с точки зрения лептонов, вовлеченных в распады, всё определяется только разницей их масс. Однако предыдущие измерения, выполненные на статистике, набранной в ходе первого этапа работы БАК, показывали для R(K⁺) расхождение с предсказаниями СМ на уровне 2.6 σ.

LHCb представил новые данные, добавив к Run-1 данные Run-2, набранные в 2015-16 гг. Это еще не вся статистика: данные 2017-18 годов будут обработаны чуть позже. Такая задержка связана с тем, что экспериментальный анализ очень сложен и занимает много времени, а также с тем, что эти два блока данных Run-2 довольно сильно различаются по условиям набора.  Следует подчеркнуть, что применялся так называемый «слепой метод» (англ. blind analysis), в котором физики, анализирующие экспериментальные данные, не знают финального ответа до того момента, когда метод анализа будет полностью разработан, протестирован и «заморожен». Такой подход позволяет избежать так называемых когнитивных ошибок анализа, когда экспериментатор невольно пытается вытянуть из данных указание на тот или иной результат и становится менее критичен к выбранному методу, если он с самого начала подтверждает гипотезу, предпочитаемую неосознанно.

Главные трудности при получении R(K⁺) связаны с определением количества распадов B⁺ → K⁺e⁺e^-. Дело в том, что электроны (и позитроны), проходя через детектор, обильно испускают фотоны, тем самым размывая сигнал в спектре масс. Физики LHCb делают специальную поправку на это тормозное излучение (в международной практике принято обозначать этот феномен немецким словом Bremsstrahlung, от bremsen «тормозить» и Strahlung «излучение») — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле ядер вещества детектора (электроны из-за своей малой массы сильно подвержены этому эффекту). Процедура коррекции сигнала включает в себя поиск отклика (в электромагнитном калориметре) на фотоны, которые могли быть испущены до того момента, как электрон отклонился магнитным полем LHCb (см. рисунок 2). Эта процедура позволяет улучшить качество сигнала, но при этом требуется вычислить её эффективность.

Для снижения погрешности при измерении R(K⁺) физики используют так называемое двойное отношение. Дело в том, что конечного состояния K^*l⁺l^- можно достичь через промежуточные чармониевые резонансы – распады типа                B⁺→J/ψ(→l⁺l^-)K⁺. Такие переходы достаточно интенсивны, а их вероятности известны. Нужно только зафиксировать сигнал в соответствующем диапазоне квадрата масс ди-лептонной пары (q²). Эффективности контрольных каналов также очень похожи на эффективности сигнальных, поэтому поправку на эффективность регистрации µ⁺µ^- и e⁺e^- физики получают прямо из данных. На рисунке 3 приведены массовые спектры для сигнальных и контрольных каналов распада. Следует отметить, что улучшение методов обработки позволило уменьшить систематические погрешности для данных Run-1, которые уже публиковались.

Сигнал выделяется для диапазона 1.1<q²<6.0 GeV². Измеренное значение R(K⁺) составило 0.846^+0.060_-0.054^+0.016_-0.014, где первая погрешность измерения статистическая, а вторая систематическая. Результат LHCb, а также результаты других экспериментов представлены на рисунке 4. Результаты измерения расходятся с предсказаниями СМ на 2,5 σ. Об открытии эффекта нарушения лептонной универсальности говорить пока рано, но уже сейчас физики-теоретики могут исследовать какие именно сценарии НФ могут дать подобный эффект. В ближайшее время LHCb планирует завершить обработку данных 2017-18 годов и представить окончательный результат по измерению R(K⁺).

Получить более подробную информацию об этом исследовании можно из препринта LHCb, материалах, представленных на Moriond, а также из материалов семинара, который прошел в ЦЕРН. Также следует отметить, что физики НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ внесли существенный вклад в создание и обслуживание детектора LHCb. Так для мюонной системы, которая сыграла ключевую роль в представленных измерениях, в Институте были изготовлены мюонные камеры. Сотрудники Отделения физики высоких энергий «Курчатовский институт» – ПИЯФ участвуют в проведении эксперимента, обеспечивая стабильную работу мюонной системы LHCb.