Распад нейтрального B-мезона отклонился от прогнозов Стандартной модели
Вершинный детектор VELO (VErtex LOcator) комплекса LHCb, который регистрирует рождение частиц в области протон-протонного столкновения
CERN
Физики провели самый точный на сегодняшний день анализ измерений распада B-мезона на детекторе LHCb. Данные эксперимента не согласуются с теоретическими предсказаниями Стандартной модели, однако величина этого расхождения зависит от выбора неизвестных параметров. Препринт работы опубликован на сервере документов CERN.
Одна из основных задач детектора LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) — поиск наблюдаемых отклонений от Стандартной модели в распадах прелестных адронов — то есть элементарных частиц, в состав которых входит прелестный (beauty, b-) кварк или его антикварк. К этому классу частиц относится B0-мезон — электрически нейтральная нестабильная система из b-антикварка и d-кварка. В экспериментах LHCb B0-мезоны образуются в протон-протонных столкновениях и вскоре после этого распадаются по различным модам (то есть разными способами). В одном из сценариев распада рождаются нейтральный каон в возбужденном состоянии (K*0), а также пара из мюона и антимюона (μ– и μ+). Регистрируя продукты распада на детекторе, можно сверять их распределение по направлению движения с прогнозом, который дает Стандартная модель. Главная проблема заключается в статистической обработке данных: чтобы сравнивать экспериментальные и теоретические данные, необходимо правильно определить погрешности определения тех и других величин.
Ученые из коллаборации LHCb при участии Рула Аай (Roel Aaij) из Национального института субатомной физики Nikhef в Амстердаме провели наиболее точный на сегодняшний день анализ измерений распадов B0-мезона с образованием K*0 и пары μ+μ–. Соответствующие эксперименты на ускорителе проводились в 2011, 2012 и 2016 годах.
Прежде всего ученые избавились от искажения данных, к которому приводят фоновые события, то есть реакции с образованием других частиц. Авторы исключили из рассмотрения диапазоны энергии, характерные для других каналов распада, а для остального фона — использовали компьютерный алгоритм, который позволил подавить 97 процентов шума при сохранении 85 процентов сигнала. Чтобы оценить систематические погрешности, отвечающие неточностям в том или ином параметре, исследователи проделали ряд псевдоэкспериментов — то есть симуляций на основе реального опыта, в которых измерялось различие итоговых данных при вариации входных величин. В теоретических расчетах на основе Стандартной модели учитывались поправки на формфакторы частиц и соответствующие эффекты квантовой хромодинамики для характерных дистанций.
В результате физики установили, что отклонение экспериментальных величин от теоретических составляет около 3,3σ — с точки зрения статистики это подвергает прогнозы Стандартной модели серьезному сомнению. Авторы отмечают, что величина отклонения зависит от выбора диапазонов энергии. Так, если не принимать во внимание данные из региона с наибольшим смещением относительно прогнозов, расхождение уменьшается до 2,7σ. Кроме того, на результат может влиять обработка «мешающих» параметров модели — вспомогательных неизвестных величин, которые не являются искомыми значениями.
За последнее время данные LHCb помогли достичь и других важных научных результатов. Так, в прошлом году физики объявили об открытии нового пентакварка и впервые заметили асимметрию между материей и антиматерией в распадах D-мезона.
Николай Мартыненко
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».