Коллаборация LHCb, в состав которой входят российские ученые, с высокой точностью измерила параметр, описывающий переход между b и u кварками. Возможно, это позволит решить некоторые загадки  физики высоких энергий.  

За сухими строчками об измерении параметра скрывается интересная физика. Кварки – «кирпичики», из которых состоят более сложные элементарные частицы. В соответствии с общепринятой в настоящее время теорией микромира «Стандартной моделью» (СМ) существует 6 видов кварков. Они не существуют в «свободном» состоянии, обладают дробным электрическим зарядом и особыми свойствами.

Изображение показывает два одновременных протон-протонных столкновения внутри детектора LHCb (розовые эллипсы). Лямбда-барион, возникший в правом соударении проходит расстояние около 1 см, затем распадается на протон (оранжевый трек), мюон (розовый трек)

Схема распада лямбда-бариона (Λb0) на протон (р), мюон (µ–) и нейтрино (µ).

коллаборации LHCb на фоне детектора (изображение ЦЕРН, LHCb)

Протоны, нейтроны и другие тяжелые частицы, называемые барионами, содержат в себе три кварка. Из самых легких u- и d-кварков (от английского up и down) состоит привычное нам вещество.
Так, в протоне два u-кварка и один d-кварк (uud), а в нейтроне наоборот – два d-кварка и один u-кварк (udd). Однако существуют и более экзотические частицы, содержащие тяжелые s, с, t и b-кварки (strange, charmed, top и beauty). Чтобы их породить, нужны космические лучи с большой энергией или ускоритель. Самый мощный в настоящее время ускоритель частиц Большой адронный коллайдер (БАК, LHC) , в котором сталкиваются пучки протонов, разогнанных до скоростей близких к скорости света, позволяет получить различные такие частицы. Например, мезоны, содержащие пару кварк и антикварк.

Когда барионы и мезоны распадаются, кварки в результате слабых взаимодействий могут превращаться друг в друга, испуская особые виртуальные частицы – W-бозоны. Вероятность таких превращений заметно отличается для каждой пары кварков. Современная теория CP-нарушения и вообще слабых взаимодействий между кварками базируется на работах Кабиббо, Кобаяши и Маскавы, удостоенных Нобелевской премии за 2008 год. Математически она описывается с помощью матрицы, носящей их имена (СКМ-матрица). Числа в этой матрице, характеризуют взаимные превращения кварков и силу CP-нарушения.

СМ не предсказывает значения параметров СКМ-матрицы, они измеряются в ходе различных экспериментов. При этом важным является согласованность их значений в различных процессах. Несовпадение значений, полученных в разных процессах, может служить признаком физики, выходящей за пределы СМ. Таким образом, точное измерение этих параметров в различных процессах позволяет проверить Стандартную Модель.

В последние годы элементы СКМ-матрицы были достаточно точно определены, что выявило проблему с распадом «прелестного» (beauty) b-кварка на виртуальный W-бозон и u-кварк. Она связана с тем, что результаты, полученные эксклюзивным и инклюзивным методами для экспериментов с В-мезонами (содержащих b-кварк), сильно различаются. Это расхождение может быть объяснено как недостатками методики анализа, так и новой частицей, предложенной теоретиками, а это уже новая физика за пределами СМ. Поэтому так важно любое новое измерение.

Здесь стоит пояснить, что эксклюзивный метод применяется, если существует полная информация обо всех продуктах конкретной реакции. Однако с ростом энергии соударяющихся частиц растет число вторичных частиц и не все их характеристики могут быть измерены. Поэтому при высоких энергиях применяется инклюзивный метод анализа, который позволяет по характеристике одной из вторичных частиц определить свойства взаимодействия. Поскольку при этом наблюдение ведется только за выбранной частицей, происходит суммирование всех процессов, приводящих к появлению этой частицы.

LHCb — детектор БАК, оптимизированный как раз для изучения b-кварков, на что указывает буква «b» в его названии. Чтобы проверить результат, полученный при исследовании В-мезонов, коллаборация LHCb исследовала распад лямбда-барионов, используя данные, собранные во время первого этапа работы БАК. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics. 

Лямбда-барион похож на протон, только содержит b-кварк вместо одного из u-кварков. Время жизни у него крайне невелико. Достаточно быстро b-кварк переходит в u-кварк, превращая лямбда-барион в протон, а испускаемый в этом процессе W-бозон в свою очередь распадается на мюон и антинейтрино. Измерение распадов с участием нейтрино в протонном коллайдере является весьма сложной задачей, но ее удалось решить, что позволило применить эксклюзивный метод. Вероятность этого распада зависит от параметра |Vub| СКМ-матрицы, описывающего переход между b- и u- кварками, благодаря чему его значение удалось вычислить с большой точностью.

В результате было показано, что эксклюзивный метод измерений для мезонов и барионов дает одинаковый результат, что позволило отказаться от гипотезы новой частицы. СМ и на этот раз выстояла. Правда, вопрос об отличии от результата инклюзивного метода пока остался не проясненным. Анализ полученных данных будет продолжен и перепроверен на основе результатов, которые исследователям удастся получить во время второго этапа работы БАК на более высоких энергиях.

Отметим, что список авторов статьи, участников коллаборации LHCb, насчитывает более шестисот человек. Россия представлена здесь восемью институтами и двумя университетами, среди которых Новосибирский государственный университет и Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, Институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ, НИЦ Курчатовский центр, Институт ядерных исследований РАН и др.

По материалам Пресс-центра ЦЕРН, Новосибирского государственного университета