В ЦЕРНе подтвердили нарушение важного свойства слабого взаимодействия

Коллаборация LHCb подтвердила загадочный результат трехлетней давности, полученный в эксперименте BaBar: в некоторых распадах B-мезонов нарушается одно из ключевых свойств слабого взаимодействия — лептонная универсальность. Статья коллаборации принята к печати в журнале Physical Review Letters, а ее предварительная версия доступна в архиве препринтов.

Распады прелестных адронов, содержащих в своем составе тяжелый b-кварк, продолжают преподносить сюрпризы. Мы уже рассказывали про неожиданные расхождения со Стандартной моделью в распадах b-кварка на s-кварк и на u-кварк. Но это были редкие распады; а теперь подозрительные эффекты наблюдаются в самом стандартном распаде b-кварка — на очарованный кварк и лептоны.

Как и всякий распад с изменением типа кварков, он происходит за счет слабого взаимодействия. Слабое взаимодействие позволяет b-кварку превратиться в c-кварк, а испущенная при этом тяжелая W-частица, переносчица слабого взаимодействия, тут же распадается на пару «лептон+антинейтрино». Слабое взаимодействие устроено так, что оно не чувствует разницы между лептонами разных сортов; W-бозон превращается одинаково хорошо в электрон, мюон или тау-лептон в сопровождении соответствующего нейтрино. Это свойство и есть лептонная универсальность слабого взаимодействия. Поэтому если взять два распада с одинаковыми адронами, но разными лептонами, то их вероятности могут отличаться лишь за счет кинематических особенностей (т.к. один лептон тяжелее другого), но не за счет механизма распада.

В 2012 году эксперимент BaBar в американском ускорительном центре SLAC в Стэнфорде сравнил друг с другом вероятности двух распадов: анти-B → D*τν и анти-B → D*μν. Стандартная модель очень точно предсказывает их отношение: R(D*) = 0.252±0.003. Однако по результатам измерений в BaBar оно получилось 0.332±0.030. Его научный конкурент, японский эксперимент Belle, такого сильного отклонения на увидел. Возникла классическая дилемма современной физики частиц: кто из двух экспериментов с несовпадающими результатами окажется ближе к истине.

И вот сейчас коллаборация LHCb, работающая на Большом адронном коллайдере, внесла свой вклад в изучение этой загадки. Благодаря тщательному отбору событий и многоступенчатой процедуре обработки данных и валидации методики коллаборация получила отношение R(D*) = 0.336±0.027±0.030, где первая погрешность — статистическая, а вторая — систематическая. Этот результат великолепно сходится с данными BaBar и отличается от Стандартной модели на 2.1σ.

Это отличие может показаться не слишком существенным, однако если объединить все три эксперимента, а также учесть другую пару распадов (на D вместо возбужденного мезона D*), по которым у LHCb данных пока нет, — расхождение получится очень солидным, порядка 4 стандартных отклонений. Даже по жестким статистическим критериям, принятым в физике частиц, к такому результату уже следует относиться очень внимательно. В длинном уже списке отклонений от Стандартной модели этот результат — один из самых сильных.

Тут любопытно заметить, что еще несколько лет назад никто не ожидал, что LHCb — да и вообще любой эксперимент на адронных коллайдерах — сможет измерить это отношение хоть со сколько-нибудь приличной точностью. Проблема в том, как детектировать тау-лептон. Адронные распады тау-лептона для этой задачи не подходят, но если его регистрировать по распаду τ→μν_τν_μ, то тогда оба изучаемых распада выглядят одинаково (ведь нейтрино в детекторе не видны) — и требуются дополнительные усилия для того, чтобы их различить. Но коллаборация LHCb накопила опыт обработки данных и справилась с этой задачей, фактически прыгнув выше своей головы. Теперь, после того как она убедилась, что способна выполнять и такие измерения, коллаборация может замахнуться и на другие распады, а также попробует уменьшить погрешность и в величине R*. Поэтому не исключено, что через год-два LHCb отчитается о еще более сильном отклонении — и вот тогда ситуация станет по-настоящему интересной.

Игорь Иванов