Физики убедились в равенстве темпов распада W-бозонов на мюоны и таоны

Физики проследили за распадом W-бозонов на детекторе ATLAS Большого адронного коллайдера и сравнили темпы, с которыми в этом процессе рождаются таоны и мюоны. Оказалось, что тех и других частиц образуется поровну в пределах ошибки измерений — это согласуется с аксиомой Стандартной модели о лептонной универсальности и устраняет несогласие с теоретическим прогнозом, которое наблюдалось в подобном анализе восемь лет назад. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

В Стандартной модели лептонами называются фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильных взаимодействиях. Среди лептонов выделяют три поколения, каждое из которых состоит из электрически заряженной частицы и ее нейтрального напарника — нейтрино. К первому поколению вместе со своим типом нейтрино относится электрон, ко второму — более массивный мюон, к третьему — еще более тяжелый таон.

Согласно нынешним представлениям, имеет место лептонная универсальность — каждое из поколений частиц участвует в электрослабых взаимодействиях по одному и тому же механизму, то есть с точки зрения этих процессов следующее поколение лептонов является утяжеленной копией предыдущего.

Удобный способ проверить это утверждение — наблюдать за распадами W-бозонов — электрически заряженных и массивных переносчиков слабого взаимодействия. Если постулат Стандартной модели о лептонной универсальности справедлив, то W-бозон с почти одинаковой вероятностью (с небольшими поправками из-за разных масс продуктов распада) распадается на каждую из трех лептонных пар — это означает равенство темпов рождения электронов, мюонов и таонов вместе с их типами нейтрино (или соответствующих античастиц, в зависимости от заряда W-бозонов).

Для электронов и мюонов эти темпы уже сравнивали на экспериментах LEP, LHCb и ATLAS — экспериментальный результат совпал с прогнозами Стандартной модели с точностью до процента. Однако в наиболее точном до недавнего времени эксперименте с участием таонов этих частиц по сравнению с мюонами зарегистрировали больше, чем ожидалось — тогда отклонение от теоретического значения превысило стандартную ошибку измерений. Кроме того, в недавних работах сообщается об указаниях на нарушение лептонной универсальности для электронов и мюонов на уровне значимости до трех стандартных отклонений.

Физики коллаборации ATLAS при участии Андреаса Хукера (Andreas Hoecker) из ЦЕРН уточнили темпы рождения мюонов и таонов в распадах W-бозонов на одноименном детекторе Большого адронного коллайдера. Для анализа они использовали данные протон-протонных столкновений с энергией 13 тераэлектронвольт в системе центра масс, которые детектор собирал с 2015 по 2018 год.

В качестве сигнального процесса выступало рождение пар из t-кварка и его антикварка, которые затем распадались на W-бозоны и b-кварки. W-бозоны, в свою очередь, претерпевали распады на мюоны и таоны вместе с соответствующим типом нейтрино. Тяжелые таоны же, не успев долететь до детектора, также распадались на более легкий мюон и нейтрино. Таким образом, детектор регистрировал сигнальные мюоны двух типов: первичные — то есть родившиеся в распаде W-бозона, и вторичные — родившиеся при распаде таона.

Из-за вторичных мюонов в среднем детектор измерял меньший поперечный (по отношению к оси детектора) импульс частиц, чем если бы среди них были только первичные — вместе с моделированием фоновых процессов это позволило исследователям оценить частоту регистрации первичных и вторичных мюонов и, исходя из этого, сравнить вероятности распада W-бозона на второе и третье поколение лептонов.

С учетом систематических и статистических погрешностей анализа, относительная скорость производства таонов по сравнению с мюонами составила 0,992±0,013 — в пределах ошибки это сходится с предсказанием Стандартной модели, согласно которому эта величина должна быть равна единице с точностью порядка десятитысячных.

Авторы отмечают, что анализ позволил не только разрешить ранее наблюдавшееся несоответствие между теорией и экспериментом и подтвердить лептонную универсальность для старших поколений лептонов в данном типе распадов, но и примерно вдвое улучшить точность измерений по сравнению с предыдущими работами.

Ранее мы рассказывали о том, как лептонную универсальность поставили под сомнение, наблюдая за распадами B-мезонов, и о том, как аномалию в магнитном моменте мюона удалось измерить со значимостью 4,2σ.

Николай Мартыненко