Пресс-центр

LHCb наблюдает новые каналы распада прелестных частиц

Эксперимент LHCb сообщил о регистрации новых каналов распада частиц, содержащих прелестный кварк. Измеренные вероятности открытых каналов распада согласуются с ожиданиями физиков.

Эксперимент LHCb, работающий на Большом адронном коллайдере (БАК), нацелен на исследование частиц, в состав которых входят тяжелые очарованные (англ. charm) и прелестные (beauty) кварки. Большая масса этих кварков позволяет (в некоторых случаях) упростить теоретические расчеты их свойств. Высокоточные измерения свойств очарованных и прелестных частиц и сравнение результатов с предсказаниями Стандартной Модели физики элементарных частиц (СМ) – один из методов поиска проявлений новых фундаментальных взаимодействий. Так как число с- и b-содержащих адронов, рождающихся на БАК в столкновениях протонов сверхвысоких энергий значительно большее, чем на установках предыдущих поколений, экспериментально становится возможной регистрация более редких каналов распада таких адронов.

В ноябре 2017 года эксперимент LHCb выпустил две работы, в которых сообщается об открытиях ранее не наблюдавшихся каналов распада: Λ_b⁰-бариона (Λ_b⁰→pK⁻π⁺π⁻ и Λ_b⁰→pK⁻K⁺K⁻), Ξ_b⁰-бариона (Ξ_b⁰→pK⁻π⁺π⁻ и Ξ_b⁰→pK⁻π⁺K⁻) [1] и B⁺-мезона (B⁺→D_s⁺K⁺K⁻) [2]. Хотя в конечном состоянии этих распадов наблюдаются только адроны – частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии, сами распады идут под действием слабых сил. При регистрации редких распадов крайне важна надежная идентификация типа адрона, т.е. уверенность в том, что трек заряженной частицы образован именно протоном (p), каоном (K) или пионом (π). Это достигается при помощи комбинации трековых детекторов, позволяющих измерить характеристики траекторий заряженных частиц в поле дипольного магнита LHCb, детекторов, регистрирующих излучение Вавилова-Черенкова и других детекторных систем.

Существует множество распадов прелестных барионов (Λ_b⁰ и Ξ_b⁰) на четыре адрона. Законы сохранения энергии и импульса дают надежный критерий идентификации распадов. Для частиц конечного состояния можно построить наблюдаемую (инвариантную массу), для которой события распада формируют пик (пример распадов с системой (pK⁻π⁺π⁻) в конечном состоянии приведен на Рис.1, пики, соответствующие распадам Λ_b⁰ и Ξ_b⁰ наблюдаются впервые).

Вторая работа LHCb сообщает об открытии распада B⁺-мезона на систему частиц: D_s⁺K⁺K⁻ [2]. Для выделенных событий кандидатов построена инвариантная масса и выделен сигнал от 443 ± 29 искомых распадов.  Помимо обнаруженного сигнала от распада B⁺-мезона в распределение событий по инвариантной массе дают вклад и фоновые процессы. Их можно отделить от сигнальных событий по форме вкладов. Экспериментаторы установили, что вероятность этого распада составляет (7.1 ± 0.5_стат. ± 0.6_сист. ± 0.7_норм.) ✕ 10^-6.

Наблюдения физики элементарных частиц носят принципиально вероятностный характер, то есть они подвержены влиянию статистических флуктуаций. Именно поэтому указывается не только измеренная величина, но и её погрешность. В большинстве случаев хорошо работает приближение нормального распределения погрешностей и стандартное отклонение можно интерпретировать как один из параметров нормального распределения σ – среднеквадратичное отклонение («ширина»). Физики называют измерения со статистической достоверностью от 3σ до 5σ указаниями (evidence) на обнаружение процесса, а при превышении порога 5σ сообщают о его открытии. Не все указания перерастают в открытия; так, ранее LHCb (в работе [3]) сообщал об указании на обнаружение канала распада B⁺→D_s⁺φ. Так как φ -мезон распадается на пару K⁺K⁻, конечное состояние распада то же, но вклад промежуточного состояния может быть выделен. В новой работе на большой статистике (а были использованы данные протон-протонных столкновений при энергиях столкновения пучков 7, 8 и 13 ТэВ) показано, что на уровне доверительной вероятности 95% вероятность распада B⁺→D_s⁺φ не превышает 4.9 ✕ 10^-7. Таким образом, предыдущее указание на большую вероятность данного канала распада не подтвердилось.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ “Курчатовский институт” - ПИЯФ активно участвуют как в обеспечении работы эксперимента LHCb, так и в последующей обработке экспериментальных данных.

Больше информации об этих открытиях доступно в электронных препринтах публикаций:

1. https://arxiv.org/pdf/1711.05490.pdf
2. https://arxiv.org/pdf/1711.05637.pdf
3. LHCb collaboration,  JHEP 02 (2013) 043