LHCb измерил новый распад прелестного бариона, но не смог решить давнюю загадку

Коллаборация LHCb сообщает о регистрации еще одного редкого распада прелестного бариона Λb — на протон и лептоны. Благодаря ему удалось по-новому взглянуть на превращение b-кварка в u-кварк — загадочный процесс, в котором уже давно существует необъяснимое расхождение между двумя методами измерения. Новый результат отдает четкое предпочтение одному методу и сильно расходится с результатами другого, но полностью проблему он не устраняет.

Коллаборация LHCb, обрабатывая статистику сеанса LHC Run 1 и измеряя всё новые и новые свойства прелестных адронов, продолжает выдавать результаты, существенно меняющие наше понимание разных аспектов физики адронов. В своей новой статье Determination of the quark coupling strength |V_ub| using baryonic decays, опубликованной на днях в журнале Nature Physics и доступной также в архиве е-принтов, коллектив сообщает о наблюдении нового полулептонного распада прелестного бариона Λb, того самого, который недавно помог им открыть тяжелый пентакварк (см.: Открыт адрон нового типа — пентакварк со скрытым очарованием, «Элементы», 15.07.2015). На этот раз LHCb использовала его для измерения вероятности превращения b-кварка в u-кварк — процесса, с которым в физике частиц связана давняя загадка.

Как и всякие превращения кварков друг в друга, переход b→u происходит под действием слабого взаимодействия. Стандартная модель эти переходы не может объяснить, она их только описывает численной матрицей кваркового смешивания (за открытие этого способа описания превращений кварков, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике в 2008 году). Числа, стоящие в этой матрице, требуется измерять экспериментально — и чем лучше они будут измерены, тем больше у физиков будет шансов угадать их закономерности и понять, откуда они, собственно, берутся.

Переход b→u описывается элементом этой матрицы, обозначаемым |V_ub|. Это число составляет примерно 4 тысячных, и из-за этого вызываемые таким переходом распады имеют маленькую вероятность и трудны для измерения. Тем не менее они были зарегистрированы уже давно, что и позволило определить |V_ub|. Беда в том, что два разных метода измерения упорно дают значения, сильно расходящиеся друг с другом, и физики до сих пор не понимают — почему.

Эти два метода измерения — через инклюзивные и через эксклюзивные распады — различаются вот чем. Нас интересует вероятность кваркового превращения, но, поскольку кварки сидят внутри адронов, мы в эксперименте можем измерять лишь распады адронов (рис. 1). Для этого мы можем использовать эксклюзивные распады, с какими-то конкретными частицами в начале и в конце, а можем инклюзивные — это когда мы суммируем по всем конечным адронам с нужным кварковым составом. Эти два метода позволяют, при поддержке теоретиков, извлечь одну и ту же величину — в нашем случае |V_ub|, — но они сильно различаются своими экспериментальными и теоретическими тонкостями.

За последние десятилетия было проведено немало измерений распадов B-мезонов, прежде всего в экспериментах Belle и BaBar на e⁺e⁻-коллайдерах, которые позволили измерить |V_ub| обоими методами. Их результаты сильно различаются. Из инклюзивных распадов получилось |Vub|=(4,41±0,15+0,15−0,17)⋅10−3, из эксклюзивных — заметно меньшее число (3,28±0,29)⋅10−3. Расхождение существенное, на три стандартных отклонения; списать его на неточность теоретических расчетов или найти ему какое-то иное разумное объяснение не удается. Это либо какой-то дефект экспериментальной методики (но которой из них?), либо новое физическое явление. Даже в другом, более вероятном переходе b-кварка в c-кварк наблюдаются похожие «трения». Проблема эта стала настолько раздражать физиков, что в этом году была проведена специальная научная конференция, целиком посвященная «непослушным» распадам b-кварка.

В новой статье коллаборация LHCb сообщает о том, что она впервые измерила еще один эксклюзивный распад: Λb→pμ−ν¯. Это исследование характеризуется словом «впервые» сразу в нескольких смыслах. Во-первых, этот распад вообще зарегистрирован впервые. Так получилось потому, что на e⁺e⁻-коллайдерах Λb-барионы не рождались, зато Большой адронный коллайдер их производит в больших количествах. Во-вторых, это первый процесс превращения b-кварка в u-кварк, который «увидел» детектор LHCb. В-третьих, это первый случай измерения величины |V_ub| в барионном, а не мезонном распаде.

Тут еще есть и совсем любопытный момент. Десять лет назад считалось, что на адронном коллайдере измерить |V_ub| просто нереально. Поэтому коллаборация LHCb вообще-то даже не рассчитывала, что ей удастся измерить этот распад и зарегистрировать переход b→u. К своему удивлению, они это сделать смогли — сказалось и высокое качество самого детектора, и шагнувшие далеко вперед методы обработки и анализа данных. Так что это еще и важный «метарезультат» сеанса работы LHC Run 1: коллайдер в очередной раз смог сделать больше, чем от него ожидали вначале.

Что касается самого измерения Λb→pμ−ν¯, то основная трудность тут заключается в том, что искомый сигнал приходится отделять от большого фона Λb→Λ+cμ−ν¯ (в этом распаде b-кварк распадается на c-кварк). Барион Λ+c живет намного меньше, чем Λb, — взгляните на шкалу времен жизни элементарных частиц, — и он тоже распадается с испусканием протона. Однако в этом случае из вторичной вершины вылетает не только протон и мюон, но и пара других заряженных частиц (рис. 2). Эта особенность помогает отделить сигнал от фона.

Отделив сигнал от фона, физики не выбросили эти фоновые события, а, наоборот, аккуратно их пересчитали. Величина, фактически измеренная в эксперименте, — это отношение количества сигнальных событий к фоновым. Это очень удобно, потому что в таком отношении сокращаются некоторые систематические погрешности. Из этого отношения была извлечено отношение |V_ub|/|V_cb|, из которого уже, опираясь на другие данные и на совсем недавние теоретические расчеты, физики и получили искомую величину |V_ub|.

Результат этого многоступенчатого анализа таков: |Vub|=(3,27±0,15±0,16±0,06)⋅10−3, где первая погрешность — чисто экспериментальная, а две другие — теоретические. Это значение полностью совпадает с тем, что дают эксклюзивные распады B-мезонов, и, как следствие, сдвигает общий баланс сил в их пользу. Однако оно не дает разрешения загадки: новое измерение еще сильнее, уже на 3,5σ, расходится с результатами инклюзивных распадов (рис. 3). Возможно, надо попробовать найти новый способ измерения инклюзивных распадов, возможно, надо снова сесть и разбираться с теоретическими расчетами. Так или иначе, но это измерение — далеко не последнее слово LHCb. Поверив в свои силы, эта группа теперь попробует измерить |V_ub| и иными способами.

Новое измерение, между прочим, закрывает одну достаточно наивную попытку разрешить дилемму с помощью Новой физики. Раньше, когда конфликтовали только два числа, извлеченные из инклюзивных и эксклюзивных распадов B-мезонов, оставалась теоретическая возможность согласовать их друг с другом с помощью нового взаимодействия определенного типа. Результат LHCb закрывает эту возможность. Три полосы на рис. 4, отвечающие трем разным результатам в рамках гипотезы о новом взаимодействии, не пересекаются все три ни в одном месте.

Видимо, тут действительно имеется какая-то трудноуловимая ошибка или в самой экспериментальной методике, или в теоретической интерпретации данных, и физикам придется дальше ее искать. Ну а желающие почувствовать, в какие тонкости при этом приходится вникать, могут взглянуть на совсем недавнюю статью — обсуждение ровно этой загадки.