Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики уточнили частоту превращения странного B-мезона античастицу

LHCb collaboration / Nature Physics, 2022

Коллаборация LHCb сообщила о результатах по измерению нейтральных осцилляций странного B-мезона, то есть его периодических превращений в античастицу. Физики обработали данные о распадах мезонов, собранные во время второго сезона работы Большого адронного коллайдера, и смогли в два раза улучшить точность определения частоты этих осцилляций по сравнению с предыдущим измерением. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Состояния с определенной энергией играют большую роль в квантовой физике. Именно они определяют собственный спектр квантовых систем, а их описание стало первой задачей, которую успешно решила квантовая механика. Эти состояния могут поменяться, если система подвергается некоторому возмущению. В случае если квантовые числа исходной системы оказываются несобственными для возмущения, ее новые состояния будут представлять собой квантовую суперпозицию старых. При этом вероятность получить какое-либо значение старого квантового числа в новом базисе будет периодически зависеть от времени, в течение которого действовало возмущение. Этот эффект, называемый осцилляциями Раби, играет огромную роль в атомной и молекулярной физике, квантовых симуляциях и многих других разделах физики.

Похожий принцип работает в физике элементарных частиц. Оказалось, что аромат и масса кварков и лептонов — это несовместные квантовые числа. В ряде случаев это приводит к тому, что состояние свободной элементарной частицы может быть описано в виде суперпозиции состояний, соответствующим другим частицам. Баланс этой суперпозиции изменяется со временем по периодическому закону, что получило название нейтральных осцилляций.

Самым известным примером таких осцилляций можно назвать нейтринные осцилляции, про которые мы подробно рассказывали в материале «Н значит нейтрино». В этом случае лептон одного аромата превращается в свободном полете в лептоны с другими ароматами. Кварки же не могут существовать в свободном состоянии поодиночке, однако нейтральным осцилляциям подвержены некоторые состоящие их них нейтральные мезоны, например странный B-мезон (Bs-мезон). В этом случае кварки превращаются в антикварки (и наоборот), а мезон в антимезон, а частота превращения определяется разницей масс тяжелого и легкого массовых состояний мезона. Нейтральные осцилляции Bs-мезона были обнаружены 15 лет назад и с тех пор физики стремятся точнее измерять параметры этого процесса.

Коллаборация LHCb доложила о результатах обработки данных о распадах странного B-мезона, собранных в течение второго сезона работы Большого адронного коллайдера с 2015 по 2018 год в процессах столкновения протонов при энергии 13 тераэлектронвольт. Анализируя осцилляции этой нейтральной частицы, физики смогли извлечь значение разности масс с точностью, двукратно превышающей предыдущие измерения.

Странный B-мезон состоит из нижнего антикварка и странного кварка. В процессе нейтральных осцилляций он превращается в свою античастицу, состоящей из нижнего кварка и странного антикварка, соответственно. Один из каналов распада этой частицы — это ее превращение в странный D-мезон и положительный пион π+. Если бы осцилляций не было, зависимость вероятности такого превращения от времени была бы монотонной. В реальности же она обладает периодической компонентой, частота которой равна разнице масс тяжелого и легкого состояний.

Детектор LHCb фиксировал область вокруг оси протонного пучка, ограниченную полярными углами от 10 до 250  миллирадиан, в которую попадает примерно четверть продуктов распада. Он включает в себя несколько систем, которые позволяют точно измерять импульсы частиц и восстанавливать координаты распадов частиц. Этой информации достаточно, чтобы понять, сколько времени летел B-мезон, прежде чем распасться.

Bs-мезоны сравнительно тяжелее большинства других частиц, рождающихся в столкновениях протонов. Кроме того, они успевают пролететь существенное (в среднем сантиметр) расстояние, из-за чего их распады смещены относительно точки столкновения пучков. Физики использовали эти критерии, чтобы проводить предварительное отсеивание кандидатов в искомые события. Дальнейшее отсеивание исключает другие каналы распада, распады других частиц с похожей топологией и события, не проходящие кинематический фильтр. Наконец, ученые оптимизировали выборку с помощью численных симуляций.

Построенную в результате зависимость скорости распада от времени исследователи аппроксимировали теоретической функцией, в которую были добавлены модификации, учитывающие временны́е особенности детектора. При этом они использовали отдельный алгоритм, позволяющий определить аромат продуктов распада и, таким образом, сказать, была это частица или античастица. Алгоритм давал ответ в 80 процентов случаев с вероятностью ошибки 36 процентов.

Подгонка позволила определить частоту нейтральных осцилляций, которая оказалась равна 17,7683±0,0051 обратным пикосекундам. Физики дополнительно оценили систематические ошибки с помощью разделения выборки на два набора данных с различными кинематическими характеристиками, в результате чего дополнительная неопределенность оказалась равна 0,0032 обратных пикосекунд. В сумме точность оказалась в два раза выше, чем в предыдущем эксперименте коллаборации. Комбинация нового результата с результатами предыдущих экспериментов с другими распадами дало значение 17,7656±0,0057 обратных пикосекунд. Эта величина согласуется с менее точным предсказанием, сделанным в рамках решеточной квантовой хромодинамики, и равным 18,4+0,7/-1,2 обратных пикосекунд.

Странный B-мезон — это не единственный адрон, участвующий в нейтральных осцилляциях. Ранее мы рассказывали, как физики, работающие с детектором LHCb, обнаружили такие осцилляции у нейтрального очарованного D-мезона. Подробнее о работе этой коллаборации вы можете прочитать в материале «Прелестный кварк летит вперед».

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.