Большенный адронный ускоритель и «Новенькая физика»: B-мезоны предпочитают распадаться на электроны заместо мюонов

Экспериментаторы зафиксировали отклонение от Обычной модели физики частиц в виде нарушения принципа универсальности лептонов в распадах b-кварков (очаровательных кварков). Оно проявляется в различных скоростях распада B-мезона на мюоны и электроны. Оказалось, что простая частичка почаще выбирает канал распада на электрон-позитронную пару, чем на пару мюон-антимюон, хотя согласно Обычной модели вероятности этих распадов должны быть схожими. В исследовании проанализировали данные первого и второго сезонов работы сенсора LHCb Огромного адронного коллайдера за 10 лет. Отношение скоростей распада составило 0,846, а статистическая значимость результата выросла до 3,1 обычных отклонений.

Когда в физике установились представления о атомном ядре, состоящем из нуклонов (протонов и нейтронов — тяжёлых частиц близкой массы), для описания их взаимодействия в ядре нужно было ввести понятие особенных ядерных сил, либо мощного взаимодействия — 1-го из четырёх базовых взаимодействий — вкупе с гравитационным, электромагнитным и слабеньким. Крайнее также обрисовывает процессы в атомных ядрах, но относится, к примеру, к их бета-распаду и протекает по остальным законам. Ядерные силы отвечают за то, чтоб ядро не разлеталось из-за отталкивания положительно заряженных протонов. Простыми частичками, принимающими роль в сильном содействии, стали кварки. На сейчас они числятся базовыми составляющими материи и соединяются воединыжды в составные частички — адроны. Посреди адронов есть состоящие из трёх кварков барионы, к которым относятся протон и нейтрон, и мезоны, состоящие из 2-ух кварков. В рамках теории ядерных сил мезоны являются частицами-переносчиками мощного взаимодействия так же, как фотоны (кванты света) передают электромагнитные силы меж заряженными частичками, к примеру, электронами.

Обычная модель физики простых частиц.

Обычная модель физики частиц дает периодическую систематизацию узнаваемых базовых частиц и их взаимодействий. Она соединяет воединыжды три из четырёх сил (не считая гравитации) в единообразную теоретическую схему. В модели участвуют набор базовых частиц — 6 кварков и 6 лептонов трёх «поколений» вкупе со своими античастицами — и частицы-переносчики взаимодействий меж ними. Элементы модели владеют разными качествами симметрии (таковыми, как симметрия электрона и позитрона и пр.), и отношения частиц в схеме нередко изображают в виде симметричных геометрических конструкций, к примеру, как на приведённом тут рисунке. Наиболее подробное пользующееся популярностью изложение Обычной модели можно отыскать в данной нам статье на elementy.ru; также см. там же перепечатку заметки из научно-популярной энциклопедии «200 законов мироздания».

Эта феноменологическая система обобщает известные факты, но не является законом природы. Отличия от неё обнаруживают до этого всего на больших энергиях, достижимых на Большенном адронном коллайдере. Почти все опыты физики больших энергий специально ведутся в областях, где она может отказать — это и есть поиск «Новейшей физики за пределами Обычной модели». Одно из направлений — сбои теории в пророчестве поведения лептонов, в частности, в распадах B-мезонов на лептонные пары.

К B-мезонам относятся простые частички, в составе которых из равного числа кварков и антикварков есть и очаровательный кварк, либо b-кварк (beauty quark, либо bottom quark). Распады b-кварков просто идентифицировать; не считая того, они владеют приметной массой, соответственно «очаровательный мезон» с таковым кварком упрощает экспериментальные исследования. Они были открыты в 1993 году, и физики практически сходу начали находить редчайшие свидетельства их распадов, которые бы не вписывались в обычную кварк-антикварковую схему и указывали на «Новейшую физику» и без рождения новейших частиц.

В поисках новейших частиц и их распадов центральную роль играет Большенный адронный ускоритель (БАК), в частности, один из его восьми сенсоров — LHCb (Large Hadron Collider Beauty). Коллаборация LHCb практикуется на исследовании «очаровательных» b-кварков, на что показывает буковка b в заглавии. Это одна из тех установок в мире, оптимизированных для исследования параметров B-мезонов («B-фабрика»). Подробнее про задачки LHCb можно прочесть в иной статье на нашем портале.

Схема распада B-мезона с рождением мюонной пары.

В рамках Обычной модели разные заряженные лептоны (к ним относятся электрон, мюон и тау-лептон — три «поколения» лептонов) схожим образом участвуют в электрослабом содействии. Теория разглядывает их единообразно (лишь с учётом их различия масс). Этот принцип физики частиц именуется «лептонная универсальность». Он производится для широкого спектра реакций, но в опытах LHCb с распадом B-мезонов стали отыскивать его периодические нарушения.

Частички могут иметь огромное количество способностей, либо каналов распада. Предсказать, какой путь распада изберет рождённая частичка, нереально в согласовании с законами квантовой механики, но можно отыскивать вероятности распада по тому либо иному каналу. Экспериментально такие вероятности измеряются наблюдением огромного количества актов распада с набором нужной статистики. В частности, B-мезоны распадаются на комбинацию из каона и лептон-антилептонной пары: B+ → K+μ+μ− либо B+ → K+e+e−, другими словами на пару электрон-позитрон e+e−, либо мюон-антимюон μ+μ−. Эти распады весьма редчайшие, и их обнаружение — целое событие (см. нашу наиболее раннюю статью о этом). Не считая того, мы не можем, исходя из первопринципов, посчитать вероятности таковых событий. Можно лишь задаться вопросцем, каким будет отношение этих вероятностей распада на электроны либо на мюоны. Лептонная универсальность как раз постулирует, что это число (RK) обязано быть равно строго единице. Отклонение от Обычной модели проявится в том, что отношение вероятностей распада B-мезонов будет очень различаться от единицы. Разные теории за её пределами подразумевают разъяснения с введением каких-то новейших, ещё не открытых тяжёлых частиц.

Проверка лептонной универсальности по соотношению вероятностей распада B-мезона на мюонную и электрическую пару (RK) — измерения в различных опытах и их погрешности. Согласно Обычной модели RK≡ 1.

Данные по распадам B-мезонов в рамках опыта LHCb издавна подразумевали нарушение лептонной универсальности. В середине 2010-х годов возникли указания на то, что это отношение (RK) меньше 1 — опыты с различными типами мезонов давали значения в районе 0,7—0,85, другими словами мезон предпочитал распадаться на электрон-позитронную пару, а не на мюоны (см., к примеру, статью 2015 года о одном из таковых результатов). Из-за редкости событий распада эти вероятности числятся по особенной статистической методике обработки данных БАК, тщательно обрисовывать которую тут нет способности. Главный вопросец стоит в статистической значимости результата — как значение RK отклоняется от единицы и как отклонение быть может случайным, вызванным погрешностью измерений.

В сей раз физики CERN проанализировали полные данные опыта LHCb за два сеанса работы коллайдера (Run 1 и Run 2) за 2009—2018 гг. О этих новейших результатах можно прочесть в пресс-релизе CERN; также статья по итогам измерений доступна в виде препринта на arXiv.org. Вычисленное соотношение скоростей распада B-мезонов составило 0,846±0,044 со статистической значимостью 3,1σ (3,1 обычных отклонений от единицы). Это значит, что возможность случайности результата составляет приблизительно 1:1000. Для уверенного доказательства открытия в физике экспериментальных частиц исследователи стремятся достигнуть точности хотя бы 5 обычных отклонений. Это некоторый установившийся порог точности, опосля которого молвят о «наблюдении» эффекта (observation). В этом случае возможность ошибки составляет 1 к 3,5 миллионам. Для результатов, не достигших точности 5σ, но превосходящих 3σ, зарезервирован термин «свидетельство» (evidence). В прошлых измерениях выходили и наименьшие значения RK, но их низкая точность (до этого всего из-за наименьшей подборки обработанных данных) давала отличия от единицы в границах 2-3σ. Потому на сейчас RK=0,846 с учётом достигнутой погрешности — это самое четкое измерение, которое дозволяет гласить о свидетельстве нарушения лептонной универсальности. В последующем году стартует последующий сеанс (Run 3) работы Огромного адронного коллайдера. Может быть, с включением его данных получится посильнее выделить расхождение со Обычной моделью.

Помещение сенсора LHCb Огромного адронного коллайдера. CERN.

Источник: 22century.ru

Добавить комментарий