LHCb подтверждает еще одно отклонение в распадах Bs-мезонов

Рис. 1. Два распада-близнеца: Bs→ϕμ+μ− и B→K∗μ+μ−, вызванные одним и тем же кварковым процессом b→sμ+μ−, но в разном окружении. В обоих случаях коллаборация LHCb обнаружила отклонения от предсказаний Стандартной модели

Коллаборация LHCb обнародовала еще один любопытный результат: новый анализ распада B_s → ϕμ⁺μ⁻ подтверждает отклонение от Стандартной модели на уровне статистической значимости 3,5σ. Этот результат стал еще одним пунктом в постепенно растущем списке «претензий к Стандартной модели» со стороны коллайдера.

Тщательное изучение редких распадов прелестных мезонов — одна из главных дорог, которые могут привести к открытию Новой физики за пределами Стандартной модели. Во время первого трехлетнего сеанса работы Большого адронного коллайдера была накоплена и изучена, в основном усилиями специального детектора LHCb, огромная статистика таких событий. Некоторые сверхредкие распады были обнаружены впервые, другие — изучены с недоступной ранее степенью подробности (см. подборку результатов на странице Редкие распады B-мезонов: результаты).

Хотя набор данных и завершился больше двух лет назад, их обработка продолжается, и в некоторых случаях обнаруживаются любопытные отклонения от предсказаний Стандартной модели. Особенный интерес представляют такие распады, в которых b-кварк превращается в s-кварк. Два примера этих распадов, в которых как раз и наблюдаются отклонения, показаны на рис. 1: это B→K∗μ+μ− и Bs→ϕμ+μ−. Несмотря на то что вероятности этих распадов составляют меньше одной миллионной, их удается тщательно изучать благодаря огромной производительности коллайдера.

Фундаментальный процесс, который происходит внутри мезона при этих двух распадах, один и тот же — это превращение кварков b→sμ+μ−. Отличаются они лишь тем, в какие мезоны «одеваются» эти кварки, что сказывается и на теоретическом расчете, и на экспериментальном изучении. Тот факт, что в конце получается не две, а три частицы (а с учетом последующего распада K^* или ϕ-мезона — четыре), на руку физикам. Детектируя все частицы и измеряя их импульсы, они могут изучать тонкие закономерности в углах разлета продуктов распада, а также строить распределения по инвариантным массам. В результате один-единственный тип распада дает не одно число, а сразу пару десятков разных измеряемых величин — и все их можно сравнивать с теоретическими расчетами.

История изучения этих двух распадов на LHC уже насчитывает немало интересных моментов. Два года назад, в мае 2013 года, коллаборация LHCb сообщила о тщательных измерениях распада Bs→ϕμ+μ−. Зависимость от инвариантной массы μ+μ−-пары выписывала зигзаги, которые не вполне согласовывались со Стандартной моделью. Однако на тот момент теоретические расчеты были не слишком точны, поэтому трудно было сказать, насколько существенно это расхождение.

Пару месяцев спустя коллаборация LHCb опубликовала аналогичное исследование второго распада на рис. 1. Здесь расхождение оказалось уже вполне осязаемым — 3,7σ, что вызвало заметное оживление среди теоретиков (подробнее см.: Детектор LHCb видит странности в распадах B-мезонов, «Элементы», 16.08.2013). Затем, при ближайшем рассмотрении, оказалось, что и здесь теоретические расчеты были не слишком надежны: они недостаточно хорошо учитывали сложные эффекты адронной физики. Однако возникло понимание, что их надо срочно улучшать, ведь на кону стоит открытие Новой физики.

Теоретики принялись за работу, и в конце 2014 года вышла большая статья, подводившая промежуточный итог этой кампании (см.: W. Altmannshofer, D. M. Straub. New physics in b→s transitions after LHC run 1). Среди прочего там были представлены и уточненные вычисления первого процесса, который раньше оценивался плохо. Вердикт оказался таким: в области инвариантных масс мюонной пары m2μμот 1 до 6 ГэВ² вычисления расходятся со старым результатом LHCb на 3,1σ. Это вполне серьезное отклонение сделало процесс Bs→ϕμ+μ− важным участником этой истории.

В апреле этого года LHCb обновил свои данные по второму распаду (см. подробности в новости Коллаборация LHCb подтверждает отклонение в распаде B-мезонов, «Элементы», 10.04.2015). Отклонение слегка просело до 2,9σ, но не исчезло. Поэтому физики с большим интересом ждали и новые результаты по первому распаду.

Три недели назад эти результаты наконец появились, и физиков они не разочаровали. Коллаборация LHCb обработала полную статистику сеанса Run 1, втрое превышавшую тот объем данных, на котором базировались выводы двухлетней давности. Было отобрано примерно 440 распадов нужного типа; «примерно» — потому что далеко не все случаи рождения комбинации ϕμμ возникали из распадов B-мезонов. В статье были приведены данные по двум десяткам разных характеристик, в том числе и распределение по инвариантной массе m2μμ вплоть до 19 ГэВ² (рис. 2).

Рис. 2. Распределение числа событий распада Bs→ϕμ+μ− по величине q2 — инвариантной массе мюонной пары. Точки с погрешностями — экспериментальные данные, синие области — предсказание Стандартной модели вместе со своими неопределенностями, серые полосы — области q2, исключенные из анализа из-за большого фона. Изображение из обсуждаемой статьи

Новые данные подтверждают аномалию двухлетней давности; более того, она даже слегка усилилась. В области инвариантных масс до 6 ГэВ² по-прежнему наблюдается существенное расхождение между обновленными вычислениями и последними измерениями. Статистическая значимость расхождения составляет сейчас 3,5σ, что заставляет относиться к ней очень серьезно. В целом оба распада, показанные на рис. 1, будут в ближайшие годы оставаться одной из главных мишеней и теоретиков, и экспериментаторов.

Чтобы избежать излишней сенсационности, стоит еще раз подчеркнуть вот какой момент. Конечно, теоретики с жадностью ловят любые сообщения об отклонении от Стандартной модели и пытаются объяснить их в рамках тех или иных моделей Новой физики. Однако их отношение к аномалиям в распадах B-мезонов и к аномалиям при очень высоких энергиях (как, например, недавнее сообщение детектора ATLAS, см.: В данных ATLAS и CMS наблюдается любопытное отклонение при 2 ТэВ, «Элементы», 15.06.2015), сильно различается. Процессы с превращением адронов всегда исключительно сложны для расчетов, будь то Стандартная модель или что-то иное. Эти плохо контролируемые или не учтенные в расчетах эффекты могут привести к мнимому «открытию» на ровном месте, «открытию», вызванному не реальными причинами, а нашим недопониманием адронных процессов.

Явления на энергетических масштабах в сотни ГэВ и выше — намного «чище»; они практически не зависят от адронной физики. Ту же недавнюю аномалию ATLAS при 2 ТэВ ни на какие адроны не спишешь. Поэтому если здесь возникнет отклонение в 3,5 сигма, оно вызовет куда больший ажиотаж, чем нынешние отклонения в распадах B-мезонов. Тем не менее, и те, и другие потенциально способны привести нас к революционному открытию, — и потому все они подлежат внимательному изучению.

Источник: LHCb collaboration. Angular analysis and differential branching fraction of the decay B⁰_s→ϕμ⁺μ⁻ // е-принт arXiv:1506.08777 [hep-ex], 29 Jun 2015.

Игорь Иванов