Физики из LHCb увидели редкий распад B-мезона

Физики из эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере получили первое свидетельство редкого распада нейтрального B⁰-мезона на мюон и антимюон. После объединения данных трех сезонов работы коллайдера статистическая значимость сигнала достигла 3,2 стандартного отклонения. Кроме того, ученые уточнили вероятность распада B⁰_s-мезона на такую же пару частиц и измерили его эффективное время жизни с рекордной точностью. Все результаты согласуются с предсказаниями Стандартной модели. Препринт работы опубликован на сайте arXiv.org, статья направлена в Physical Review X.

Стандартная модель описывает элементарные частицы и три фундаментальных взаимодействия между ними, однако не объясняет природу темной материи и преобладание вещества над антивеществом во Вселенной. Поэтому физики продолжают искать отклонения от ее предсказаний, которые могли бы указывать на существование неизвестных частиц или взаимодействий. Один из способов таких поисков — изучение редких распадов частиц, в которых вклад неизвестной физики может проявляться через квантовые процессы.

Особый интерес представляют распады B-мезонов, состоящих из тяжелого b-кварка или его антикварка и более легкого кварка. В частности, нейтральные B⁰- и B⁰_s- мезоны отличаются наличием d и s кварка соответственно и могут распадаться на пару мюон — антимюон. В Стандартной модели такой распад сильно подавлен, поскольку требует изменения аромата кварка без изменения электрического заряда и происходит только через квантовые петли. Для B⁰_s-мезона вероятность распада на мюонную пару составляет около 3,66 × 10^-9, тогда как для B⁰-мезона она примерно в 35 раз меньше — всего 1,03 × 10^-10. Первый из этих распадов физики уже наблюдали, а для второго ранее удалось получить лишь свидетельство в совместном анализе LHCb и CMS, которое не подтвердили последующие измерения.

Ученые из эксперимента LHCb под руководством Тимоти Гершона (Timothy Gershon) из Уорикского университета сообщили об обнаружении распада B⁰-мезона на мюон и антимюон. Физики проанализировали данные протон-протонных столкновений при энергии 13,6 тераэлектронвольта, собранные в 2024–2025 годах в ходе третьего сезона работы Большого адронного коллайдера. Интегральная светимость новых данных составила 18 обратных фемтобарн — вдвое больше, чем за первые два сезона вместе взятые.

Для поиска редких распадов ученые отбирали события с двумя противоположно заряженными мюонами, которые вылетали из общей вершины, удаленной от точки столкновения протонов. Чтобы подавить фон от других распадов частиц с b-кварками, физики использовали алгоритм машинного обучения. Затем они исследовали распределение инвариантной массы мюонных пар, в котором искали пики, соответствующие массам B⁰- и B⁰_s-мезонов. Для определения вероятностей распадов число сигнальных событий нормировали по хорошо изученным каналам распада B-мезонов.

В результате анализа данных всех трех сезонов работы коллайдера физики получили свидетельство распада B⁰ → μ⁺μ^- со статистической значимостью 3,2 стандартного отклонения. Вероятность этого процесса составила (1,14 ± 0,42) × 10^-10, а для B⁰_s → μ⁺μ^- — (3,25 ± 0,29) × 10^-9. Отношение вероятностей распадов составило 0,035, что также согласуется с предсказанием Стандартной модели.

Кроме того, ученые измерили эффективное время жизни B⁰_s-мезона при распаде на мюонную пару. Она составила 1,60 ± 0,16 пикосекунды. Это наиболее точное на сегодняшний день измерение данного параметра. В отличие от вероятности распада, эффективное время жизни чувствительно к соотношению вкладов двух массовых состояний B⁰_s-мезона и позволяет проверять сценарии новой физики, которые могут не изменять заметно саму вероятность распада.

Таким образом, коллаборация LHCb впервые получила свидетельство распада B⁰-мезона на мюонную пару и улучшила точность измерений свойств обоих нейтральных B-мезонов. Хотя полученные результаты не указывают на отклонения от Стандартной модели, они ограничивают возможный вклад неизвестных тяжелых частиц в эти процессы. Дальнейший набор статистики позволит повысить значимость наблюдения B⁰ → μ⁺μ^- и продолжить поиск новой физики в редких распадах.

Ранее физики из LHCb обнаружили дважды очарованный барион Ξ_cc⁺, состоящий из двух c-кварков и одного d-кварка. Его зарегистрировали со статистической значимостью более семи стандартных отклонений.

Реклама: АНО ДПО «Т-Образование», ИНН 7743270426, erid: 2W5zFGKJYGS