Спустя 30 лет подтвердилось одно из предсказаний Стандартной модели

Большой адронный коллайдер совсем недавно возобновил свою работу после двухгодичной паузы, но собранные во время его первой рабочей сессии данные продолжают приносить плоды. В журнале Nature опубликованы результаты наблюдения чрезвычайно редкого канала распада нейтральных B-мезонов: на положительный и отрицательный мюоны. Краткие итоги открытия таковы: Стандартная модель по-прежнему актуальна, а на её возможные расширения наложены некоторые ограничения.

Мы недавно упоминали сверхредкий распад B → μ⁺μ⁻, рассказывая о современных проблемах физики элементарных частиц. Ранее учёные уже фиксировали такие распады, однако их количество не позволяло получить оценки с необходимой точностью. Теперь же данных накопилось достаточно для того, чтобы сделать конкретные выводы.

Стандартная модель описывает мир элементарных частиц и три фундаментальных взаимодействия: сильное, слабое и электромагнитное. Как и любая полноценная научная теория, Стандартная модель позволяет предсказывать результаты ещё не проведённых экспериментов. В частности, она даёт возможность рассчитать вероятности различных распадов.

Особый интерес представляют распады нейтрального странного B-мезона B0
s и нейтрального B-мезона B⁰ на два мюона: μ⁺ и μ⁻ — более тяжёлые аналоги электрона и позитрона. Дело в том, в различных расширениях Стандартной модели, предлагаемых теоретиками, вероятности каждого из этих распадов зачастую отличается от вероятностей, предсказываемых Стандартной моделью.

Согласно Стандартной модели в её базовой форме, вероятность распада B0
s на мюон-антимюон составляет 4 · 10⁻⁹, или 4 распада на миллиард рождений мезона. Для B⁰ ширина канала распада на мюон-антимюон ещё меньше: 10⁻¹⁰, или 1 из десяти миллиардов.

Чтобы собрать достаточно статистики, сотрудники коллабораций CMS и LHCb объединили имеющиеся у них данные, полученные на одноимённых детекторах Большого адронного коллайдера. В результате информация о ширине мюонного канала распада для B-мезона подтверждена с достоверностью в три стандартных отклонения, а для странного B-мезона — в шесть. И полученные данные оказались в соответствии с предсказаниями, выводимыми из Стандартной модели.

Распад нейтральных B-мезонов на мюон и антимюон был предсказан ещё в середине 1980-х годов, однако экспериментальное подтверждение затянулось на три десятка лет. Сложность заключалась, прежде всего, в том, что B-мезоны рождаются при очень высоких энергиях, и их «массового производства» удалось достичь лишь на LHC. Кроме того, крайне низкая вероятность распада тоже затрудняла сбор статистики. Наконец, в силу своих конструкционных особенностей детекторы дают разный объём информации: больше всего её собирается с LHCb, несколько отстаёт Компактный мюонный соленоид CMS, и значительно меньше данных поступает от детектора ATLAS.

Сообщения о первых мюонных распадах B0
s были обнародованы в 2012 году, а в июле 2013 года объединённые данные с LHCb и CMS позволили официально объявить об обнаружении мюонных распадов обоих мезонов. И вот сейчас накоплено достаточно статистики, чтобы сделать достоверную оценку. Стандартная модель предсказывает вероятности (3,66 ± 0,23) · 10^—9 и (1,06 ± 0,09) · 10^—10. Различные варианты расширения Стандартной модели подразумевают существование не обнаруженных в экспериментах частиц. Некоторые из этих частиц, если они действительно существуют, создают дополнительные возможности для распада каждого из нейтральных B-мезонов на мюон и антимюон, и суммарная ширина этого канала распада увеличивается.

Измеренные результаты в целом удовлетворяют оценкам Стандартной модели. Для странного мезона вероятность составила 2,8+0,7
−0,6 · 10^—9, для B⁰ — 3,9+1,6
−1,4 · 10^—10. Отличие от предсказанных значений составляет 2σ, и это значит, что данные согласуются со Стандартной моделью.

В частности, результаты эксперимента означают, что на многие теории, расширяющие Стандартную модель, наложены серьёзные ограничения, и, фактически, от них придётся отказаться. Например, ряд расширений подразумевают наличие дополнительных хиггсовских бозонов, но существование этих частиц должно давать иные вероятности мюонного распада. Опубликованные данные в некотором смысле разочаровывают — Новой физики в них увидеть не удалось. С другой стороны, Стандартная модель в очередной раз продемонстрировала свою состоятельность и, можно сказать, консервативность.

В ходе второй сессии БАКа, во время которой он будет работать с энергией столкновений 14 ТэВ, физики рассчитывают пополнить статистику по мюонным распадам B-мезонов. Частота рождения этих частиц при удвоенной энергии должна вырасти примерно вдвое.