Физики улучшили точность проверки унитарности матрицы кваркового смешивания

Вторник, 27 октября 2020

Эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об улучшении точности измерения угла γ треугольника унитарности матрицы кваркового смешивания. Точность определения этого параметра достигла 5 градусов. Измерения согласуются с предсказаниями Стандартной модели физики элементарных частиц (СМ).

Кварковый сектор пока что остается единственным уголком СМ, где обнаружено несохранение CP-четности. Нарушение CP-инвариантности возникает как следствие наличия неустранимой комплексной фазы у элементов матрицы, описывающей слабые взаимодействия в кварковом секторе СМ (матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, ККМ-матрицы). Элементы этой 3×3-матрицы, – девять комплексных чисел Vij, где индекс i соответствует одному из верхних кварков (u, c, t), а индекс j – одному из нижних кварков (d, s, b). Они связывают собственные состояния кварков по аромату с собственными состояниями по слабому взаимодействию. Эти величины входят в амплитуды слабых переходов с изменением аромата, которые в СМ связаны с испусканием ± бозонов. Vij обеспечивают различные вероятности распадов частиц и античастиц (прямое CP-нарушение), а также различные вероятности переходов h0 → h0 и h0 → h0 в процессе смешивания электрически-нейтральных мезонов (косвенное нарушение CP-инвариантности). Все эти эффекты описываются лишь четырьмя числами, задающими все 9 комплексных элементов ККМ-матрицы. Такое радикальное уменьшение числа параметров является следствием унитарности матрицы кваркового смешивания. Проверка унитарности ККМ-матрицы – один из методов косвенного поиска физических эффектов, находящихся за пределами описания при помощи СМ. Экспериментальное обнаружение нарушения унитарности будет означать, что Новую физику (новые  фундаментальные частицы и взаимодействия) нужно искать в кварковом секторе СМ.

Из унитарности ККМ-матрицы следует более десятка соотношений, которым должны удовлетворять элементы Vij. Во-первых, сумма квадратов элементов любого столбца или строки должна быть равна единице. Во-вторых, Vij должны удовлетворять соотношениям «треугольного» типа (см. рисунок 2a). Для одного из соотношений удобно ввести наглядную геометрическую интерпретацию на комплексной плоскости – так называемый унитарный треугольник (треугольник унитарности, см. рисунок 2b). Длина ребер этого треугольника (AB и AC), а также его углы (α, β, γ) могут быть независимо (!) измерены в различных распадах элементарных частиц. Несогласованность различных измерений будет означать косвенное указание на физику за пределами СМ.

Текущее состояние (на декабрь 2019 года) измерения параметров треугольника унитарности показано на рисунке 3. Пока что накопленные данные не противоречат гипотезе об унитарности. Однако, из рисунка 3 видно, что точность измерения некоторых наблюдаемых может быть улучшена. Это касается, например, угла γ, точное измерение которого – одна из главных задач эксперимента LHCb. Недавно эта коллаборация, в состав которой входит и научная группа из НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ, представила новые данные о значении γ.

Чтобы извлечь угол γ, физики проанализировали распады типа B± → Dh± с последующим распадомD → KS0h+h, где под h понимают K или π. Столь длинная цепочка позволяет разделить влияние сильного и слабого взаимодействий на процесс распада. Для исследования влияния сильного взаимодействия на распады экспериментаторы исследуют распределение событий-кандидатов на диаграммах Далитца (см. рисунок 4) для событий распадов D → KS0h+h для D-мезонов, образовавшихся в результате распадов B+ и Bмезонов. Такой подход (совместно с использованием данных с e+e-коллайдеров) позволил определить угол γ с точностью почти 5 градусов. В результате было получено следующее значение для этой наблюдаемой:

γ = 68.7–5.2 +5.1 градуса,

что совпадает согласуется с другими измерениями параметров унитарного треугольника, а значит и с предсказаниями СМ.

Следует отметить, что в отличии от многих других измерений точность определения угла γ зависит в основном от набранной экспериментальной статистики. С теоретической точки зрения нет никаких препятствий для улучшения точности.  Поэтому ожидается, что наши знания о γ будут улучшены в ходе следующих этапов работы БАК. Подробнее с процедурой и результатами измерения можно ознакомиться из препринта статьи, направленной в реферируемый научный журнал. В заключение следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb и являются соавторами этой научной работы.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт