Свежие данные по протон-протонным столкновениям защитили принцип лептонной универсальности

Физики из коллаборации LHCb сообщили о результатах нового этапа обработки данных о протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере, призванной исследовать нарушение принципа лептонной универсальности. Предыдущий этап закончился обнаружением отклонения от Стандартной модели на более чем три сигма. Теперь же ученые нарастили объем данных и исправили ошибки обработки, и аномалия исчезла. Об этом они рассказали на семинаре в ЦЕРН, а также в двух препринтах (1, 2). О ситуации также написала редакция журнала Nature.

Согласно Стандартной модели, все вещество во Вселенной состоит из 12 сортов частиц: шести кварков и шести лептонов. Все частицы распределены по парам по трем поколениям и отличаются только массой и временем жизни. Стабильная материя при этом сформирована из легчайших частиц первого поколения.

Принцип лептонной универсальности предполагает, что фундаментальные взаимодействия одинаковы для электронов, мюонов, таонов, а также соответствующих нейтрино. Стандартная модель включает его в свой состав, однако нарушение этого принципа в эксперименте свидетельствовало бы о существовании новых взаимодействий.

Намеки на то, что это может быть так, появились впервые в 2014 году в отчетах коллаборации LHCb, изучавшей распады B-мезонов на каоны и электро-позитронные или мюон-антимюонные пары. Принцип лептонной универсальности предписывает таким парам рождаться с одинаковой скоростью (с поправкой на разницу в массах). В 2021 году по результатам обработки данных, собранных за полтора сезона работы Большого адронного коллайдера, физики из LHCb сообщили об обнаружении нарушения универсальности в распадах B-мезонов со статистической значимостью в 3,1 сигма.

В физике элементарных частиц порогом открытия считается значимость в 5 сигм. Это служит своего рода защитным механизмом, чтобы избежать преждевременных утверждений. В случае с лептонной универсальностью произошло именно это, поскольку на днях коллаборация LHCb представила обновленные результаты обработки данных, в которых аномалия исчезла.

Причиной исчезновения отклонения стали два фактора. Во-первых, физики дополнили свой датасет последней частью второго сезона работы БАКа. Во-вторых, они улучшили методы обработки данных. В частности, ученые впервые рассмотрели два режима распада B-мезона одновременно. Кроме того, они обнаружили, что раньше в части событий обработка ошибочно находила электроны там, где их не было.

В перспективе команда LHCb продолжит следить за нарушением принципа лептонной универсальности, поскольку прошло уже более полугода третьего сезона работы БАКа (который, однако, ушел на каникулы раньше времени), а значит физикам будут доступны новые данные при больших энергиях столкновении. Множеству теоретиков же, по-видимому, придется отказаться от годовой работы по поиску причин аномалии.

Впрочем, задач у них еще достаточно, поскольку сегодня в Стандартной модели еще зияет несколько «дыр». Так, мы пока не понимаем природу аномалий в нейтринных экспериментах, которые могут свидетельствовать о существовании как минимум еще одного их типа. Кроме того, не так давно долгосрочная обработка экспериментов с закрывшегося Тэватрона привела к массе W-бозона, на семь стандартных отклонений отличающейся от общепринятого значения. Наконец, пока не разрешена загадка, связанная с аномальным магнитным моментом мюона.