Экспериментаторы зафиксировали отклонение от Стандартной модели физики частиц в виде нарушения принципа универсальности лептонов в распадах b-кварков (прелестных кварков). Оно проявляется в разных скоростях распада B-мезона на мюоны и электроны. Оказалось, что элементарная частица чаще выбирает канал распада на электрон-позитронную пару, чем на пару мюон-антимюон, хотя согласно Стандартной модели вероятности этих распадов должны быть одинаковыми. В исследовании проанализировали данные первого и второго сезонов работы детектора LHCb Большого адронного коллайдера за 10 лет. Отношение скоростей распада составило 0,846, а статистическая значимость результата выросла до 3,1 стандартных отклонений.
Когда в физике установились представления об атомном ядре, состоящем из нуклонов (протонов и нейтронов — тяжёлых частиц близкой массы), для описания их взаимодействия в ядре необходимо было ввести понятие особых ядерных сил, или сильного взаимодействия — одного из четырёх фундаментальных взаимодействий — вместе с гравитационным, электромагнитным и слабым. Последнее также описывает процессы в атомных ядрах, но относится, например, к их бета-распаду и протекает по другим законам. Ядерные силы отвечают за то, чтобы ядро не разлеталось из-за отталкивания положительно заряженных протонов. Элементарными частицами, принимающими участие в сильном взаимодействии, стали кварки. На сегодня они считаются фундаментальными составляющими материи и объединяются в составные частицы — адроны. Среди адронов есть состоящие из трёх кварков барионы, к которым относятся протон и нейтрон, и мезоны, состоящие из двух кварков. В рамках теории ядерных сил мезоны являются частицами-переносчиками сильного взаимодействия так же, как фотоны (кванты света) передают электромагнитные силы между заряженными частицами, например, электронами.
Стандартная модель физики частиц предлагает систематическую классификацию известных фундаментальных частиц и их взаимодействий. Она объединяет три из четырёх сил (кроме гравитации) в единообразную теоретическую схему. В модели участвуют набор фундаментальных частиц — шесть кварков и шесть лептонов трёх «поколений» вместе со своими античастицами — и частицы-переносчики взаимодействий между ними. Элементы модели обладают различными свойствами симметрии (такими, как симметрия электрона и позитрона и пр.), и взаимоотношения частиц в схеме часто изображают в виде симметричных геометрических конструкций, например, как на приведённом здесь рисунке. Более подробное популярное изложение Стандартной модели можно найти в этой статье на elementy.ru; также см. там же перепечатку заметки из научно-популярной энциклопедии «200 законов мироздания».
Эта феноменологическая конструкция обобщает известные факты, но не является законом природы. Отклонения от неё обнаруживают прежде всего на высоких энергиях, достижимых на Большом адронном коллайдере. Многие эксперименты физики высоких энергий специально ведутся в областях, где она может отказать — это и есть поиск «Новой физики за пределами Стандартной модели». Одно из направлений — сбои теории в предсказании поведения лептонов, в частности, в распадах B-мезонов на лептонные пары.
К B-мезонам относятся элементарные частицы, в составе которых из равного числа кварков и антикварков есть и прелестный кварк, или b-кварк (beauty quark, или bottom quark). Распады b-кварков легко идентифицировать; кроме того, они обладают заметной массой, соответственно «прелестный мезон» с таким кварком облегчает экспериментальные исследования. Они были открыты в 1993 году, и физики почти сразу начали искать редкие свидетельства их распадов, которые бы не вписывались в стандартную кварк-антикварковую схему и указывали на «Новую физику» и без рождения новых частиц.
В поисках новых частиц и их распадов центральную роль играет Большой адронный коллайдер (БАК), в частности, один из его восьми детекторов — LHCb (Large Hadron Collider Beauty). Коллаборация LHCb специализируется на исследовании «прелестных» b-кварков, на что указывает буква b в названии. Это одна из нескольких установок в мире, оптимизированных для изучения свойств B-мезонов («B-фабрика»). Подробнее про задачи LHCb можно прочитать в другой статье на нашем портале.
В рамках Стандартной модели различные заряженные лептоны (к ним относятся электрон, мюон и тау-лептон — три «поколения» лептонов) одинаковым образом участвуют в электрослабом взаимодействии. Теория рассматривает их единообразно (только с учётом их разницы масс). Этот принцип физики частиц называется «лептонная универсальность». Он выполняется для широкого диапазона реакций, но в экспериментах LHCb с распадом B-мезонов стали находить его систематические нарушения.
Частицы могут иметь множество возможностей, или каналов распада. Предсказать, какой путь распада выберет рождённая частица, невозможно в соответствии с законами квантовой механики, но можно находить вероятности распада по тому или иному каналу. Экспериментально такие вероятности измеряются наблюдением большого количества актов распада с набором необходимой статистики. В частности, B-мезоны распадаются на комбинацию из каона и лептон-антилептонной пары: B+ → K+μ+μ− или B+ → K+e+e−, то есть на пару электрон-позитрон e+e−, или мюон-антимюон μ+μ−. Эти распады очень редкие, и их обнаружение — целое событие (см. нашу более раннюю статью об этом). Кроме того, мы не можем, исходя из первопринципов, посчитать вероятности таких событий. Можно только задаться вопросом, каким будет отношение этих вероятностей распада на электроны или на мюоны. Лептонная универсальность как раз постулирует, что это число (RK) должно быть равно строго единице. Отклонение от Стандартной модели проявится в том, что отношение вероятностей распада B-мезонов будет сильно отличаться от единицы. Различные теории за её пределами предполагают объяснения с введением каких-либо новых, ещё не открытых тяжёлых частиц.
Данные по распадам B-мезонов в рамках эксперимента LHCb давно предполагали нарушение лептонной универсальности. В середине 2010-х годов появились указания на то, что это отношение (RK) меньше 1 — эксперименты с разными типами мезонов давали значения в районе 0,7—0,85, то есть мезон предпочитал распадаться на электрон-позитронную пару, а не на мюоны (см., например, статью 2015 года об одном из таких результатов). Из-за редкости событий распада эти вероятности считаются по особой статистической методике обработки данных БАК, подробно описывать которую здесь нет возможности. Основной вопрос стоит в статистической значимости результата — насколько значение RK отклоняется от единицы и насколько отклонение может быть случайным, вызванным погрешностью измерений.
В этот раз физики CERN проанализировали полные данные эксперимента LHCb за два сеанса работы коллайдера (Run 1 и Run 2) за 2009—2018 гг. Об этих новых результатах можно прочитать 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 стандартных отклонений от единицы). Это означает, что вероятность случайности результата составляет примерно 1:1000. Для уверенного подтверждения открытия в физике экспериментальных частиц исследователи стремятся добиться точности хотя бы пять стандартных отклонений. Это некий установившийся порог точности, после которого говорят о «наблюдении» эффекта (observation). В этом случае вероятность ошибки составляет 1 к 3,5 миллионам. Для результатов, не достигших точности 5σ, но превосходящих 3σ, зарезервирован термин «свидетельство» (evidence). В предыдущих измерениях получались и меньшие значения RK, однако их невысокая точность (прежде всего из-за меньшей выборки обработанных данных) давала отклонения от единицы в пределах 2-3σ. Поэтому на сегодня RK=0,846 с учётом достигнутой погрешности — это самое точное измерение, которое позволяет говорить о свидетельстве нарушения лептонной универсальности. В следующем году стартует следующий сеанс (Run 3) работы Большого адронного коллайдера. Возможно, с включением его данных получится сильнее выделить расхождение со Стандартной моделью.