Пресс-центр

LHCb обнаружил большую CP-асимметрию в распадах B-мезонов

Эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил сразу две работы, посвященные изучению промежуточных резонансов в распадах B^±→π^±π^–π^±. Для некоторых из них были обнаружены огромные эффекты нарушения CP-четности.

Мы уже не раз писали о том, что одной из задач БАК является обнаружение новых источников отличия частиц от античастиц, или, как говорят физики, новых механизмов, вызывающих нарушение CP-четности. Такие процессы необходимы чтобы объяснить возникновение барионной асимметрии нашей Вселенной. Важной задачей также является изучение тех объектов микромира, для которых эффекты CP-нарушения уже установлены. Одним из таких объектов являются B мезоны.

На прошлой неделе эксперимент LHCb направил в печать сразу две публикации, посвященные изучению распадов B^±-мезонов на три заряженных пиона [1, 2]. При таких распадах выделяется огромное количество энергии, ведь B^±-мезоны – это очень тяжелые субатомные частицы (из-за входящего в их состав прелестного кварка), а пионы — самые легкие из сильновзаимодействующих частиц. В итоге на кинетическую энергию пионов «тратится» почти вся энергия распада. Важную роль в распадах типа B^±→π⁺π^–π^± играют промежуточные резонансы. Фактически, это самостоятельные элементарные частицы, распадающиеся на пары пионов, которые возникают на мгновение (время их жизни порядка 10^–24 секунды) после распада B^±-мезонов, причем композиция промежуточного состояния для положительно и отрицательно заряженных B-мезонов может отличаться. Такое отличие будет ярким свидетельством CP-нарушения. Именно его и изучали экспериментаторы.

С теоретической точки зрения, к большим эффектам CP-нарушения приводит структура матрицы кваркового смешивания (матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, ККМ-матрица), элементы которой входят в амплитуды кварковых превращений. Элемент V_ub, ответственный за прямые b → u переходы, очень мал, поэтому вклад от соответствующих древесных амплитуд сопоставим с вкладом петлевых (для них в промежуточном состоянии фигурирует несколько виртуальных частиц). Древесные и петлевые диаграммы интерферируют – усиливают или наоборот гасят друг друга, причем эти эффекты сильно зависят от мнимой части элементов ККМ-матрицы, которые имеют разный знак для частиц и античастиц. Поэтому и различаются промежуточные состояния для распадов B^±→π⁺π^–π^±.

Эксперимент LHCb выпустил сразу две работы, посвященные изучению данного канала распада. В первой, направленной в журнал Physics Review Letters, ученые концентрируются на физических результатах, тогда как вторая, посланная в Physics Review D, описывает процедуру амплитудного анализа распадов B^±→π⁺π^–π^±. То, что CP-четность нарушается в таких распадах, видно по соотношению выходов для распадов B⁺ и B^– мезонов (см. рис. 1). Видно, что их число существенно различается (асимметрия рождения и асимметрия π⁺π^–-детектирования не могут дать столь существенный эффект).

Еще более наглядно эффекты CP-нарушения проявляют себя в промежуточных состояниях. Так, на рисунке 2 представлены диаграммы Далица для распадов B⁺ и B^– мезонов. Эти диаграммы – двумерное распределение по квадратам масс пар дочерних частиц, на которых промежуточные резонансы проявляют себя как полосы. Видно, что картина промежуточных состояний существенно отличается для B⁺ и B^–-мезонов. Для некоторых областей этих диаграмм CP-асимметрия (отношение разности выходов B⁺ и B^– к их сумме) достигает 80% (см., например, рис. 3)!

Чтобы извлечь численную информацию об эффектах CP-нарушения, физики провели полный амплитудный анализ исследуемых распадов. При этом применялась три взаимодополняющих метода: изобраная модель, К-матричный формализм и так называемый квази-модельно-независимый подход. Все три метода дают схожие результаты.

Пока обработана лишь статистика Run-1, набранная в 2011-2012 годах при энергиях взаимодействующих протонов 7 и 8 ТэВ. Данные Run-2 существенно улучшат и без того неплохую точность опубликованного анализа.

В заключении следует отметить, что сотрудники ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb.

[1] Observation of several sources of CP violation in B+→π+π+π− decays https://arxiv.org/abs/1909.05211

[2] Amplitude analysis of the B+→π+π+π− decay

 https://arxiv.org/abs/1909.05212