Пресс-центр

Новые результаты LHCb по исследованию “многомюонных” распадов

Для начала давайте быстро погрузимся в мир элементарных частиц. Окружающее нас вещество состоит из молекул; молекулы из атомов; атомы – связанная система элементарных частиц электронов (e) и атомного ядра (за связь отвечает электромагнитное взаимодействие). Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, являются связанной системой кварков двух типов: u и d. За связь кварков между собой, а также за связь протонов и нейтронов в ядре отвечает сильное взаимодействие. Электроны, кварки, а также еще одна элементарная частица, электронное нейтрино (ν_e), составляют так называемое первое поколение фундаментальных фермионов, из которых и состоит вся видимая материя. Однако природа зачем-то создала еще два поколения фермионов, отличающихся от первого лишь массой. Во второе и в третье поколения входят соответственно мюон (μ) и тау-лептон (τ), более тяжелые аналоги электрона; мюонное (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ) – аналоги электронного нейтрино; c- и t-кварки – аналоги u-кварка; s и b – аналоги d (см. Рис.1). У каждой из частиц СМ, будь то кварк, заряженный лептон или нейтрино, есть античастица. За превращения частиц одного поколения в другое отвечает слабое взаимодействие, а с точки зрения электромагнитного и сильного взаимодействий в современной теории, получившей название Стандартная Модель (СМ) физики элементарных частиц, все три поколения кварков одинаковы (с точностью до эффектов, зависящих от массы элементарных частиц). Эта одинаковость получила название лептонной универсальности. Обнаружение нарушения лептонной универсальности будет проявлением новых физических эффектов, выходящих за пределы СМ. За  подобными проявлениями Новой физики и идет охота на БАК.

Для решения задач, стоящих перед современной экспериментальной физикой элементарных частиц, очень подходят мюоны. Время жизни этих частиц велико, они легко проникают через толщу вещества, но при этом хорошо регистрируются детекторами. Поэтому сейчас все большие эксперименты имеют специальные детекторные системы, ориентированные на регистрацию мюонов. Большой вклад в разработку и эксплуатацию мюонной системы эксперимента LHCb (одного из четырех больших установок на БАК) внесли физики Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. В сентябре 2017 года эксперимент LHCb представил результаты двух новых исследований, посвященных многомюонным распадам (регистрируемые конечные состояния таких распадов состоят из мюонов).

Первая работа посвящена открытию ранее неизвестного канала распада так называемых чармониевых состояний χ_с1 и χ_с2. Были обнаружены их  распады в систему частиц J/ψμ⁺μ^–. Частица J/ψ регистрировалась по распаду на μ⁺μ^–-пару, то есть, в конечном состоянии детектировались четыре мюона. χ_с1 и χ_с2 проявляют себя как пики в спектре инвариантной массы дочерних частиц (см Рис.2), что является следствием законов сохранения энергии и импульса. Исследования этих новых каналов распада позволили определить характеристики χ_с1 и χ_с2 (массы этих состояний и ширину χ_с2) с высокой точностью. Точное измерение характеристик χ_с1 и  χ_с2,  которые (как, кстати, и частица J/ψ) состоят из тяжелого c-кварка и анти-c-кварка, связанных друг с другом сильным взаимодействием, очень важно для проверки предсказаний квантовой хромодинамики (КХД) – теории сильного взаимодействия (одной из частей СМ). Одним из открытых свойств сильного взаимодействия является относительная простота его учета при высоких энергиях и на малых расстояниях. Системы, состоящие только из тяжелых кварков и тяжелых анти-кварков, компактные, а значит, их свойства могут быть довольно точно рассчитаны методами КХД. Новые данные LHCb улучшают точность проверки таких расчетов и приближает нас к полному пониманию всех особенностей этого фундаментального взаимодействия природы. Отдельно хочется поздравить наших коллег из Института теоретической и экспериментальной физики (http://www.itep.ru/) и Института физики высоких энергий (http://www.ihep.su/) (которые, как и ПИЯФ, входят в состав Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”), внесших большой вклад в эти исследования.

Другое новое исследование, также опирающееся на регистрацию нескольких мюонов в конечном состоянии, посвящено проверке лептонной универсальности в распадах B_c⁺ мезонов – связанной системы тяжелых  с-кварка и анти-b-кварка. СМ, исходя из лептонной универсальности, хорошо предсказывает отношение вероятностей полулептонных каналов распада B_c⁺➝J/ψτ⁺ν_τ. и B_c⁺➝J/ψμ⁺ν_μ. Полулептонными называются распады, содержащие в конечном состоянии один или несколько адронов, один заряженный лептон и нейтрино соответствующего сорта. Это отношение вероятностей обозначают R(J/ψ). Частицу J/ψ регистрировали по распаду на μ⁺μ^–-пару, а τ⁺➝μ⁺ν_μν~_τ. Так как прямая регистрация нейтрино невозможна, на LHCb исследовались спектры с тремя мюонами. По их кинематическим характеристикам удалось установить R(J/ψ).

Измеренная величина  R(J/ψ) на два стандартных отклонения превосходит предсказанное в рамках СМ значение (см. Рис.3). Это небольшое отклонение может быть объяснено статистической флуктуацией результатов. Однако измеренные LHCb и другими экспериментами другие подобные величины [ R(D*), R(K) и R(K*) ] также незначительно, но превосходят предсказания СМ (ссылка на предыдущую новость http://www.pnpi.spb.ru/press-center/novosti/356-direktor-nits-ki-piyaf-nagradil-molodykh-arkhitektorov-za-bulvar-nauki ). Незначительное каждое само по себе, все вместе они складываются в интригующую картину. В ближайшем будущем измерения, выполненные на большей статистике, должны разрешить эту загадку (http://www.pnpi.spb.ru/press-center/novosti/566-eksperiment-lhcb-uvelichil-v-neskolko-raz-sobrannuyu-statistiku).

Ссылка на новости на сайте эксперимента LHCb:

 http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/

Иллюстрация взята с сайта LHCb:

 http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Objects/Detector/DetectorPlan1.jpg