Пресс-центр

LHCb придумал новый метод измерения коэффициента матрицы кваркового смешивания

Эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), измерил абсолютное значение коэффициента V_cb матрицы кваркового смешивания (матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, ККМ-матрица). Измерение проводилось с помощью нового метода с использованием полулептонных распадов B_s⁰-мезонов.

Одними из параметров Стандартной Модели физики элементарных частиц (СМ) являются коэффициенты, задающие матрицу кваркового смешивания. Элементы этой матрицы, предложенной итальянским физиком Николой Кабиббо для объяснения вероятностей распадов пионов и каонов, и обобщенной японскими теоретиками Кобаяши и Маскавой для случая трёх поколений кварков, входят в амплитуды переходов между кварками верхнего (u, c, t) и нижнего (d, s, b) типов, вызванных слабым взаимодействием. При таких переходах испускаются тяжелые заряженные W-бозоны. Кварковые диаграммы переходов просты. Примеры диаграмм, соответствующих коэффициентам ККМ-матрицы (V_CKM), приведены на рисунке 1. Так как девять комплексных элементов V_CKM зависят всего от четырех параметров, то независимое измерение этих элементов (или их комбинаций) позволяет, во-первых, уточнить параметры СМ, а, во-вторых, поискать указания на Новую физику (НФ) за её пределами. Пока указаний на НФ не обнаружено, однако с измерениями некоторых элементов ККМ-матрицы связаны интригующие загадки.

С измерением элементов ККМ-матрицы связана следующая сложность – на наших энергетических масштабах кварки не существуют как отдельные частицы, а входят в состав адронов, и поэтому, при изучении кварковых переходов необходимо учитывать влияние остальных кварков, входящих в адрон. Для измерения абсолютных значений элементов V_CKM используют полулептонные распады или амплитуды смешивания для нейтральных мезонов. На рисунке 2 показаны кварковые диаграммы основных (эксклюзивных) процессов используемых для определения параметров ККМ-матрицы.

С наблюдаемыми |V_cb| и |V_ub| связана экспериментальная загадка. Они могут быть измерены двумя путями: «эксклюзивным», когда используется один из многочисленных распадов b-адронов, и «инклюзивным», при которым все переходы b→cμν_μ измеряются «в навал». Так вот, результаты этих двух классов измерений подозрительно расходятся. Для |V_cb| статистическая значимость расхождения двух измерений составляет примерно три стандартных отклонения. В новой работе LHCb, выпущенной в январе 2020 года, эта наблюдаемая измерена новым способом, относящимся к классу «эксклюзивных» измерений.

В своей новой работе физики LHCb использовали полумюонные распады B_s⁰-мезонов: B_s⁰→ D_s⁻μ⁺ν_μ и B_s⁰→ D_s^*−μ⁺ν_μ. Чтобы определить |V_cb|, необходимо выделить эти распады и провести их амплитудный анализ. Сложность с выделением сигнала возникает из-за того, что нейтрино не детектируется экспериментальной установкой и при определении кинематических характеристик распадов возникают неопределенности, процедуры устранения которых довольно сложны. Также важную роль в измерениях |V_cb| играет теория. Экспериментаторы использовали две схемы теоретических расчетов, учитывающих влияние кварк-глюонного окружения процесса распада, протекающего под действием слабого взаимодействия. Конечный результат, как оказывается, немного (на уровне 1σ_stat) зависит от выбора теоретической модели.

На рисунке 3 приведены мировые данные по измерениям |V_cb|, а также новый результат LHCb. Статистические и систематические неопределенности нового метода пока больше, чем для результатов, полученных на электрон-позитронных коллайдерах. Измерения LHCb находятся в согласии с предыдущими измерениями, а также показаны усреднёнными значениями для «эксклюзивных» и «инклюзивных» измерений. При этом, следует отметить, что центральные значения, полученные новым («эксклюзивным») методом, оказываются ближе к среднему результатов «инклюзивных» измерений. Пока проанализирована лишь часть экспериментальной статистики, набранной в ходе первого этапа работы БАК, поэтому в ближайшие годы можно ожидать уточнение результатов, полученных этим новым методом.

Подробнее с работой LHCb можно ознакомиться из препринта статьи, посвященной этому измерению. В заключении следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» (в том числе из ПИЯФ) принимают активное участие в работе эксперимента LHCb. Сотрудники Отделения физики высоких энергий Института отвечают за мюонную систему спектрометра, без стабильной работы который регистрация полумюонных распадов, использованных в представленных измерениях, была бы не возможна.