Физики увидели новый эксклюзивный распад прелестного бариона

Коллаборация LHCb измерила новым способом вероятность превращения прелестного b-кварка в u-кварк — загадочного процесса, для которого разные эксперименты сильно расходятся друг с другом. Новое измерение четко отдает предпочтение одному из прошлых измерений, однако до полного решения загадки пока далеко. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics и находятся в свободном доступе.

Слабое взаимодействие элементарных частиц — это единственная сила в нашем мире, способная менять тип кварков. Благодаря нему, например, горит Солнце. Этот жизненно важный процесс протекает из-за того, что в столкновении двух протонов в солнечных недрах u-кварк превращается в d-кварк, что приводит к образованию дейтрона. Кроме того, слабые взаимодействия делают мир проще; если бы не они, ядра бы содержали не только протоны и нейтроны, но и другие адроны, составленные из тяжелых кварков. Мы избавлены от такой безумной сложности мира лишь благодаря тому, что эти тяжелые кварки быстро превращаются в легкие за счет слабого взаимодействия.

Для того, чтобы хорошо изучить слабые взаимодействия, — а также попытаться разглядеть сквозь них Новую физику, — требуется аккуратно измерить вероятности кварковых превращений. Стандартная модель их не может предсказать, она лишь их описывает с помощью числовой матрицы три на три (это матрица кваркового смешивания, или CKM-матрица, за которую присудили Нобелевскую премию 2008 года). Зато каждый элемент этой матрицы можно измерить в коллайдерных экспериментах. На коллайдере в столкновениях частиц рождаются и распадаются тяжелые адроны, причем рождаются они парами, за счет сильного взаимодействия, а распадаются уже по одиночке за счет слабого. Измеряя количество распадов каждого типа, можно определить вероятности кварковых превращений и извлечь элементы кварковой матрицы.

Эта деятельность ведется уже много лет, и в последнее десятилетие в ней в полный рост встала одна проблема, решения которой физики пока найти не могут. Она касается превращения прелестного b-кварка в u-кварк, то есть элемента матрицы |V_ub|. Этот процесс удобнее всего измерять через распад прелестных адронов в легкие адроны и лептоны, причем делать это можно двумя способами — через инклюзивные и через эксклюзивные распады (показаны выше).

Эксклюзивные распады — это когда вы берете какой-то определенный вариант распада, со вполне конкретными частицами в начале и в конце. В обсуждаемом случае обычно изучается эксклюзивный распад B-мезона на π⁺-мезон, мюон, и антинейтрино. Инклюзивные распады — это процессы вида «все включено», то есть когда суммируются все варианты распада на разные конечные частицы, которые могут получиться в ходе этого кваркового превращения. Главное, чтобы в конце вылетал адрон с u-кварком, а какой это будет адрон — уже неважно. Эти два метода сильно различаются своими эксперментальными тонкостями, а также теоретическими расчетами, которые нужны для извлечения числа |V_ub| из вероятностей распадов.

Эксперименты обоих типов проводились на специализированных коллайдерах, «заточенных» под рождение прелестных мезонов. Проблема в том, что они дали два разных результата. Из инклюзивных распадов получилось |V_ub| = (4,41 ± 0,22)·10⁻³, из эксклюзивных — заметно меньшее число, (3,28 ± 0,29)·10⁻³. Расхождение существенное, на три стандартных отклонения, и найти ему разумное объяснение не получается. Можно было бы его, по привычке, списать на неопределенности теоретических расчетов. Однако выясняется, что разные теоретические подходы все равно приводят к одним и тем же результатам. 

Итак, либо перед нами какой-то дефект экспериментальной методики, который упорно присутствует во всех измерениях и который не удается опознать, либо — новое физическое явление. Теоретики даже придумали, какого типа Новая физика могла бы вызвать такое расхождение. Так или иначе, требуется по крайней мере понять, какой из методов дает правильный результат, а уже потом искать ошибки в другом. Проблема, между прочим, стала настолько раздражать физиков, что в этом году даже была проведена специальная научная конференция, целиком посвященная «непослушным» распадам b-кварка.

Коллаборация LHCb сообщает о том, что она впервые измерила еще один эксклюзивный распад: Λ

→pμν, который никогда раньше не удавалось задетектировать. В его основе лежит все то же превращение b→u, но используется здесь уже распад не мезона, а бариона. (Кстати, это тот самый прелестный барион, в другом распаде которого недавно был

.) Этот совершенно новый распад, в анализ которого входят и новые теоретические расчеты, дал значение (3,27 ± 0,22)·10

. Оно полностью совпадает с результатом из эксклюзивных распадов B-мезонов и еще более сильно, на 3,5 σ, расходится с инклюзивными данными.

Последствия этого измерения двояки. С одной стороны, оно явно «перетягивает» доверие к эксклюзивным распадам. С другой стороны, оно все равно не объясняет, в чем же проблема с инклюзивными распадами. Более того, пока что нет проверки инклюзивного метода для Λ_b-бариона; кто знает, может быть, после этого измерения загадка вернется. Кроме того, новое измерение показало, что никакой простой Новой физикой расхождение не объяснить: три результата — инклюзивный, старый эксклюзивный, и новый результат LHCb, — никак не удается свести вместе даже с учетом новых гипотетических частиц. Видимо, действительно в каком-то из методов присутствуют не опознанные пока подводных камни. Но в каком именно — остается неясным.

Игорь Иванов