Фізики помітили порушення принципу універсальності лептонів у розпадах красивих кварків через розходження швидкості розпаду В-мезону на мюон та електрон. Вони з’ясували, що частинка обирає розпад на пару електрон-позитрон частіше, ніж на пару мюон-антимюон, хоча за Стандартною моделлю швидкість розпаду мала б бути однаковою. У своєму дослідженні фізики проаналізували дані з Великого адронного колайдера за 10 років та представили свої результати на семінарі у CERN. Також аналіз даних доступний у препринті на arXiv.org.
Розпад В-мезону на електрон та позитрон. Imperial College London
Що за В-мезон?
Коли ми зрозуміли, що атомне ядро складається з нуклонів, нам знадобилася сила, яка би могла їх у цьому ядрі втримувати та давати йому змогу залишатися стабільним. Необхідною силою стала сильна ядерна взаємодія, а участь у ній взяли кварки. Вони також є фундаментальними складовими матерії та об’єднуються у композитні частинки — адрони. Адрони, як і всі частинки, ми поділяємо на дві групи, і бозоном, тобто частинкою-переносником взаємодії з цілим спіном, є мезони.
До B-мезонів відносять ті, що з поміж рівного числа кварків й антикварків у своєму складі мають ще й красивий кварк (b-кварк). Розпади красивих кварків легко ідентифікувати, а також вони мають досить велику масу, тож і мезон, що «приховує у собі красу», полегшує експериментальні дослідження. Вони були відкриті у 1983 році, і майже відразу фізики почали полювати на їхні рідкісні розпади, які б не вписувалися у стандартну кварк-антикваркову схему та вказували на Нову фізику і без народження нових частинок.
На що йому дозволено розпадатися?
Стандартна модель забезпечує точні передбачення властивостей і взаємодій елементарних частинок, які щоразу підтверджуються численними експериментами. Однак, все ж модель не повна і у нас є все ще багато білих плям від занадто великої маси бозона Хіггса до того, куди ділася темна матерія. Тому вчені шукають «нову фізику», яка могла би заповнити пробіли Стандартної моделі. Найкраще Стандартна модель описує фундаментальні частинки, тож одним зі способів знайти вихід у Нову фізику є пошук неузгодженостей з тим, що модель передбачає найточніше.
Так попередні дослідження вказували на принцип універсальності лептонів — об’єктів, що становлять матерію навколо нас. Згідно з ним заряджені лептони — електрони, мюони і тау-лептони відрізняються лише масою, але дуже схожі один на одного за поведінкою та мають однакову силу електрослабкої взаємодії. Тож вони мають розпадатися на електрони з тією ж швидкістю, що і на мюони. Однак, якась дивна поведінка частинок може перевірити Стандартну модель на міцність і відхилення від універсальності поведінки стануть натяками на вихід за її межі.
Що помітили вчені?
Можливостей розпастися, каналів розпаду, у частинок може бути безліч. Але на жаль ми не можемо напевно передбачити, який шлях обере народжена частина, тож все, що ми можемо зі впевненістю сказати — з якою ймовірністю частинка розпадеться так, а не інакше. Експериментально цю імовірність ми вимірюємо, повторюючи процес народження і розпаду частинок безліч разів, щоб вирахувати прийнятну кількість подій з потрібним розпадом.
У пошуках частинок та їх розпадів центральну роль грає Великий адронний колайдер, а зокрема найменший детектор на ньому — експеримент LHCb. Він націлений саме на взаємодію красивих кварків, з якою вчені прагнуть розібратися з асиметрією матерії та антиматерії та іншими недоліками Стандартної моделі. У своєму дослідженні вчені проаналізували дані експерименту за 10 років та виявили, що співвідношення швидкостей розпаду B-мезонів на пару електрон-позитрон і на пару мюон-антимюоні складає 0,846. Це означає, що за якихось причин B-мезон обирає шлях розпаду на електрони частіше, хоча Стандартна модель не дозволяє йому надавати якомусь зі способів перевагу й швидкості розпаду повинні бути однаковими.
Чому він надав перевагу електронам?
Частинок, які складають матерію навколо нас — лептонів, існує цілих шість видів. Електрон, мюон, тау-частинка, а також електронне, мюонне і тау-нейтрино. І всі зі своїми відповідними античастинками. Втім, порушення універсальності їхньої поведінки потребує розширення структури Стандартної моделі та, можливо, появи нової частинки, яка по-різному взаємодіятиме з різними лептонами. Вчені припускають, що у їхньому випадку такою частинкою може бути або важкий аналог Z-бозона, або лептокварк.
Лептокварками називають гіпотетичні частинки, які взаємодіють і з кварками, і з лептонами. Їх фізики включають у теорії Великого об’єднання та ними пояснюють симетрію частинок, однак досі помітити відголоски їхнього народження вченим не вдавалося. Втім, поки отриманий фізиками результат має значення 3,1 сигма, а тобто ймовірність того, що це випадковість, складає приблизно один з 1000. І зазвичай вчені прагнуть до точності принаймні 5 сигм (імовірність статистично помилки складає 1 до 3,5 мільйона).