БАК снова проверил Стандартную модель — увы, успешно
Открытие бозона Хиггса было триумфальным для Стандартной модели, которая предсказала, как частица образуется, ведет себя и распадается во время столкновений в Большом адронном коллайдере. На самом деле, Стандартная модель точно предсказала почти все, что нам нужно было.
Казалось бы, стоит радоваться. Но такое положение дел не особо устраивает физиков, поскольку Стандартная модель является неполной. В ней нет никаких частиц, которые могли бы объяснить темную материю. Она не включает объяснений, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. И она не предоставляет никакого механизма, который мог бы снабдить нейтрино массой.
Обнаружение новой частицы, которая не была предсказана Стандартной моделью, стало бы очевидным признаком того, что мы готовы выдвигаться за ее пределы. Но нам необязательно искать новую частицу, чтобы разбить Стандартную модель; как мы уже сказали, модель также предсказывает поведение и распад частиц. Так что поиск странных распадов также мог бы пролить свет.
В конце этой недели ученые с двух крупных детекторов БАК сообщили, что наконец выявили один из таких распадов. К сожалению, он произошел при условиях, неотличимых от тех, что предсказываются Стандартной моделью.
Этот распад включает в себя набор частиц под названием нейтральные B-мезоны. B-мезоны — это частицы, которые содержат тяжелый боттом-антикварк (или прелестный), который весит почти в четыре раза больше протона. В нейтральных B-мезонах боттом-антикварк находится в паре с другим кварком, странным. По сути, они представляют экзотические версии нейтрона, построенного с тяжелыми кварками.
Эти частицы могут распадаться совершенно разными способами, наиболее распространенный из которых заключается в производстве единичного мюона (тяжелого двоюродного брата электрона) и нейтрино. (Кварк и антикварк в этих частицах не могут аннигилировать, поскольку боттом-антикварк может проделать это только с боттом-кварком). Однако есть редкий путь распада, который включает тяжелейшую из известных частиц (топ-кварк, истинный кварк), что приводит к производству мюона и антимюона. Стандартная модель предсказывает, что эти пути довольно редкие. В случае с анти-боттом/странным B-мезоном, мы ожидаем, что это произойдет четыре раза на каждый миллиард распадов. В случае с анти-боттом/странным B-мезоном, мы ожидаем, что это случится лишь один раз на 10 миллиардов распадов.
Найти что-то вроде этого не так-то просто. Вам нужно просмотреть множество B-мезонов и избавиться от большого числа случайных событий, которые производят комбинацию мюона/антимюона. К счастью, БАК имеет детектор, LHCb, который специализируется на изучении B-мезонов. В одной из последних работ данные LHCb были объединены с данными детектора общего назначения CMS. Вместе два детектора просмотрели достаточно столкновений, чтобы обнаружить 100 или больше нужных нам распадов.
Ожидалось, что нейтральные B-мезоны живут достаточно долго, чтобы сдвинуться на несколько сантиметров от места столкновения протонов; два мюона из конкретно такого распада должны были пройти к внешним границам детекторов частиц. Ученые обоих детекторов также смоделировали довольно много распадов B-мезонов и ложных сигналов и обучили программное обеспечение различать их.
Более распространенные распады из антиботтом/странной комбинации были обнаружены с уровнем значимости более шести стандартных отклонений (6σ) и на уровне, которые полностью укладывается в предсказания Стандартной модели. Обнаружение антиботтом/прелестных распадов набрало только 3,2σ — недостаточно, чтобы провозгласить открытие. Уровень обнаружения был чуть выше предсказанного Стандартной моделью, но из-за недостаточного количества этих распадов по-прежнему укладывается в предсказания модели.
Подводя итоги: нет никаких признаков существования физики за пределами Стандартной модели, хотя мы знаем, что она должна быть. И это расстраивает. Неизвестные тяжелые частицы, вроде тех, что могли бы объяснить темную материю, могли бы вести себя подобно топ-кварку и увеличить число распадов на этом пути. Меньшие числа позволили бы ограничить идеи о том, какую дополнительную физику можно было бы ожидать. Вместо этого ученым придется вести исследования на основе уже имеющихся теоретических наработок.
(С)Илья Хель
