Распад заряженного B-мезона не вписался в Стандартную модель

Физики нашли отклонения от Стандартной модели в распаде заряженного B-мезона на каон и мюонную пару в рамках эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере. Ученые увидели расхождения с теорией в угловых распределениях рождающихся в распаде частиц, похожие отклонения ранее наблюдались в аналогичном распаде нейтрального B-мезона. Считается, что подобные аномалии могут оказаться ключом к Новой физике, так как в них могут содержаться следы еще не открытых тяжелых элементарных частиц. Доклад LHCb опубликован на сайте эксперимента.

Стандартная модель — это наиболее точная доступная физикам теоретическая конструкция для описания многообразия элементарных частиц и их свойств. С подтверждением существования бозона Хиггса в 2012 году завершилось экспериментальное обнаружение всех предсказываемых этой моделью элементарных частиц, а внимание ученых переключилось на попытки найти физику за ее пределами. Объясняется это тем, что в Стандартной модели нет места темной материи, о существовании которой мы можем косвенно судить по наблюдаемому эффекту скрытой массы во вселенной. Не объясняет она и наблюдаемую асимметрию между количеством материи и антиматерии. Таким образом, видна необходимость поиска более полной теории в рамках физики элементарных частиц и их взаимодействий.

Новая физика может заключаться в существовании еще не открытых элементарных частиц, однако пока что не совсем ясно, на каком энергетическом масштабе их стоит искать. Есть надежда на то, что такие экзотические частицы могут напрямую рождаться на Большом адронном коллайдере, однако пока что физики не наблюдают подобных событий. Кроме того, квантовая теория поля не запрещает рождение тяжелых виртуальных частиц даже если их масса превышает энергетический порог ускорителя. В таком случае об их существовании можно было бы судить косвенно, а именно по отклонениям от теоретических предсказаний параметров распада известных нам частиц. Такой подход существенно расширяет диапазон масс, в котором физики могут увидеть следы еще не открытой элементарной частицы, а опирается он не столько на энергию ускорителя, сколько на точность используемых детекторов.  

Большой потенциал на протекание подобных процессов у редкого распада b-кварка на s-кварк и мюонную пару. Обусловлен этот потенциал тем, что в таком распаде происходит смена аромата кварка, а это разрешено только Стандартной моделью с добавлением пертурбативной поправки (внедрение которой и уменьшает вероятность такого канала). Описывается же данный распад с помощью двух различных диаграмм Фейнмана: пингвин-диаграммы и коробчатой диаграммы. Изучение похожих распадов со сменой аромата позволило предсказать существование c-кварка за 10 лет до его прямого обнаружения, а нарушение CP-инвариантности в распадах нейтральных каонов привело к предсказанию существования b-кварка и t-кварка. На Большом адронном коллайдере, в свою очередь, рождается множество B-мезонов (в составе которых есть b-кварк), в редких распадах которых физики надеются увидеть следы Новой физики.

Во многом для изучения физики частиц с b-кварком в их составе (или так называемых прелестных частиц) и был создан эксперимент LHCb, о чем можно судить по его названию. Он позволяет с особо высокой точностью анализировать геометрию и кинематику распадов этих частиц, что позволяет эффективно искать расхождения между теоретическими предсказаниями и реальными параметрами распределений рождающихся частиц. Такие аномалии в распадах нейтральных B-мезонов на каон и мюонную пару, первые следы которых были обнаружены в 2013 году, а в 2020 году улучшены, все крепчают с увеличением статистики, а их открытие с достаточной статистической точностью доказало бы неэффективность Стандартной модели в напрямую наблюдаемых процессах и, быть может, привело бы к открытию новых частиц.

Теперь же следы Новой физики нашли и в аналогичных распадах заряженного B-мезона, причем в тех же характеристиках, что и в случае нейтрального B-мезона. Ученые изучали специально сформированные выражения наблюдаемых величин, которые характеризовали угловые распределения продуктов распада B-мезона и слабо зависели от формфакторов частиц (чтобы минимизировать влияние физики, с помощью которой описывается наблюдаемый распад). Зависимость от квадрата инвариантной массы мюонной пары для одной из этих наблюдаемых, которая носит название P­₅’, оказалась далека от предсказаний Стандартной модели.

Чтобы получить более полное представление о расхождениях с теорией, физики использовали пакет FLAVIO, который помогает связать фитированные данные с так называемыми коэффициентами эффективного спаривания. Последние позволяют получить представление о силах, которые действуют на частицу в процессе распада. Параметр ΔRe(C₉) (отклонение одного из них от нуля) оказался равен −1,9: это соответствует расхождению с предсказаниями Стандартной модели со статистической точностью в 3.1σ.

Полученные данные хоть и недостаточны для официального подтверждения открытия (для этого требуется статистическая точность 5σ), но в очередной раз указывают на связь редких распадов B-мезонов с потенциальными проявлениями Новой физики. Сейчас участники эксперимента LHCb готовят к публикации статью по обнаруженным в распаде заряженного B-мезона аномалиям, а после апгрейда Большого адронного коллайдера надеются улучшить статистическую точность данных.

B-мезон действительно одна из наиболее богатых на следы Новой физики частиц: недавно в его осцилляциях нашли нарушение CP-инвариантности. А о других последних результатах работы Большого адронного коллайдера мы сообщаем в теме «Второй сезон Коллайдера».

Никита Козырев