Стандартная модель под вопросом: выполняется ли лептонная универсальность в распадах прелестных мезонов?
- 18.04.2017
Международная коллаборация LHCb, в которую входят ученые Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ), сообщила сегодня об обнаружении заметного нарушения лептонной универсальности в распадах нейтрального прелестного мезона (В-мезона) на возбужденный каон и лептонную пару (электрон-позитронную либо мюон-антимюонную). Этот экспериментальный результат отклоняется от предсказаний Стандартной модели, в соответствии с которыми вероятности распадов с электрон-позитронной и мюон-антимюонной парами должны быть практически равны. Коллектив исследователей подчеркивает, что данные требуют дополнительной проверки.
Стандартная модель (СМ) удивительно хорошо описывает фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, но некоторые астрофизические наблюдения указывают на то, что она не полностью объясняет физическую картину мира. В лабораторных условиях проверить, есть ли новая физика за пределами Стандартной модели, можно в прецизионных экспериментах по изучению свойств элементарных частиц. Для этого ученые строят коллайдеры, и самый известный из них – Большой адронный – находится в ЦЕРН (Женева). Его основная задача – поиск явлений, выходящих за рамки Стандартной модели.
Детектор LHCb (иллюстрация - ЦЕРН)
Эксперимент LHCb. В ходе эксперимента на Большом адроном коллайдере коллектив LHCb регистрировал распад нейтральных В-мезонов на нейтральный K*-мезон и пару лептон-антилептон. Лептонная универсальность означает, что вероятности распадов в конечные состояния с разными поколениями лептонов равны. Однако ученые обнаружили, что на каждые три события с появлением электрон-позитронной пары в эксперименте наблюдается лишь около двух событий с парой мюон-антимюон, что противоречит СМ.
Заместитель директора ИЯФ СО РАН, декан физического факультета НГУ, участник коллаборации LHCb, член-корреспондент РАН А.Е.Бондарь: «В данном эксперименте есть намек на нарушение симметрии между лептонами разного типа. В СМ в таких процессах асимметрия возникать не должна. Возможно, есть Новая физика, новые частицы, которые взаимодействуют с лептонами разных поколений по-разному, что приводит к нарушению симметрии между типами лептонов. Я подчеркиваю – возможно. Мы должны осмыслить это явление, в том числе теоретически. СМ – это очень жесткая конструкция, дополнить ее, не нарушив самосогласованность, крайне сложно. Поэтому, если в ходе дополнительных измерений обнаружится, что асимметрия действительно существует, надо будет видоизменить СМ так, чтобы наблюдаемый эффект укладывался в единую картину».
Измеренное отношение вероятностей распадов В0-мезона в К*0 μ+μ- и K*0e+e- в сравнении с предсказанием Стандартной модели (иллюстрация ЦЕРН)
Новая физика или неточность эксперимента? Статистическая значимость отличия любых результатов измерений от ожидаемой величины зависит от погрешности измерений, и характеризуется величиной, выраженной в числе, так называемых, стандартных отклонений. В физике элементарных частиц надежно установленным различием между величинами считается разница более чем на 5 стандартных отклонений (сигм). Полученные на LHCb результаты пока не позволяют говорить об открытии нового явления, потому что отклонение измеренной величины от рассчетной составляет примерно 2,5 сигмы. Однако, в последнее время данные полученные при изучении распадов В-мезонов в конечные состояния, содержащие лептонные пары, показывают систематические отклонения от ожиданий СМ.
Роль экспериментов на других коллайдерах. При изучении обсуждаемых событий в эксперименте LHCb для нормировки использовался результат, полученный несколько лет назад на коллайдере ИЯФ СО РАН ВЭПП-4М. «Погрешность измерения вероятности распадов, - объясняет Александр Бондарь, - может быть вызвана не только статистической ошибкой, но и с тем, что процессы с рождением мюонов и электронов регистрируются детектором с разной эффективностью. При анализе данных специально предпринимались меры, чтобы компенсировать возможные систематические ошибки. Например, для контроля эффективности использовались события от распада нейтрального B-мезона на возбужденный каон и J/psi-мезон с последущим распадом J/psi-мезона на электрон-позитронную и мюон-антимюонную пару. Вероятности распада J/psi-мезона на пары лептонов разных поколений измерялись несколько лет назад у нас в Институте в эксперименте с детектором КЕДР, и было надежно установлено, что их вероятности равны. Этот результат использовался сейчас при изучении лептонной универсальности в распадах В-мезонов».
Изображение экспериментального события, зарегистрированного на LHCb (иллюстрация - ЦЕРН)
Гипотезы, объясняющие данные эксперимента. Возможной причиной нарушения симметрии между лептонами разного типа может быть существование новой частицы – так называемого Z’-бозона – тяжелой виртуальной частицы, не описываемой Стандартной моделью. Она может по-разному взаимодействовать с электроном и мюоном, тем самым увеличивая или, наоборот, уменьшая вероятность распада B-мезона в то или иное состояние. Другим возможным объяснением наблюдаемой картины может являться существование гипотетического скалярного лептокварка Δ – частицы, взаимодействующей как с кварками, так и с лептонами. Наконец, причиной может быть какое-то неизвестное пока проявление Новой физики. Так что, полученный сегодня результат – это дополнительный стимул обратить пристальное внимание как экспериментаторов, так и теоретиков, на эту область поиска.