Новую физику пока не видно

Хотя Стандартная модель не дает объяснений ни космологическим наблюдениям темной материи, ни доминированию материи над антиматерией во Вселенной, признаков новой физики эксперимент CMS на Большом адронном коллайдере не зафиксировал. Подробнее об этом в своей лекции на «Газете.Ru» рассказывают участники эксперимента.

Эксперимент CMS (Компактный мюонный соленоид), который проводится на Большом адронном коллайдере, позволил увидеть важный редкий распад, предсказанный Стандартной моделью физики частиц (подробнее о ней можно прочитать в лекции физика Андрея Крохотина в «Газете.Ru»). Наблюдение распада B_s-мезонов(произносится «би-эс») на пару мюонов произошло после почти 25-летнего ожидания, о нем было объявлено на двухгодичной конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий ЕФО-ФВЭ в июле в Стокгольме.

Ожидается, что при рождении миллиарда B_s-мезонов только около трех из них распадаются на пару мюонов, тяжелых родственников электронов. Эти распады являются идеальным процессом для поиска сигнала новой физики: отклонение от прецизионного предсказания Стандартной модели (СМ) может служить индикатором наличия физики «за пределами Стандартной модели» (физики за ПСМ).

CMS наблюдает распад с вероятностью 3.0+/-1.0 x 10^–9 при статистической значимости 4,3σ, что соответствует предсказанию Стандартной модели 3,6+/-0,3 x 10^–9. Статистическая значимость соответствует вероятности наблюдения только 1 из 100 000 событий, обусловленных случайными флуктуациями фона.

Изображение 1: Кандидат события распада B_s → μμ, зарегистрированного детектором CMS в 2012, в протон-протонных соударениях при 8 ТэВ

Поиск нового

Известно, что исключительно успешная Стандартная модель физики частиц, несмотря на удивительную точность предсказаний в течение многих лет, не отличается полнотой: она не дает объяснений ни космологическим наблюдениям темной материи, ни доминированию материи над антиматерией во Вселенной. Если физика за ПСМ лежит в пределах постижимого и это проявится на БАК, то CMS проведет систематические поиски сигналов, предсказываемых различными расширениями Стандартной модели.

Распад B-мезонов (состоящих из одного b-кварка и легкого кварка) на два мюона (μ) является идеальным методом непрямого наблюдения физики за ПСМ. Распады двух типов B-мезонов — B⁰ (состоящих из b-кварков и d-кварков) и B_s (состоящих из b-кварков и s-кварков) — на пары мюонов сильно подавлены в СМ, хотя некоторые расширения Стандартной модели предсказывают либо значительное превышение, либо даже более сильное подавление этих распадов. Любое несовпадение измеренных вероятностей распада с предсказаниями СМ будет проявлением ясного сигнала физики за ПСМ. Более 25 лет многие эксперименты на различных типах коллайдеров заняты поисками этих редких распадов.

За это время установленные пределы чувствительности улучшены на четыре порядка, приближаясь к величине, предсказанной СМ. Впервые ясное наблюдение существования распада B_s → μμ продемонстрировано в эксперименте LHCb в ноябре 2012 года со статистической значимостью 3,5σ.

Изображение 2: История поиска распадов B_s and B⁰ на пару мионов на коллайдерах в прошлом и настоящем, показывающая улучшение на четыре порядка.

Не все охватывается в распадах B_s

Экспериментальный поиск этих редких процессов требует обнаружения нескольких полезных событий среди огромного количества фоновых событий: лишь три из каждого миллиарда B_s-мезонов могут распасться на два мюона и даже меньше — для распада B⁰-мезонов.

Первая трудность в поиске редких сигнальных событий заключается в идентификации потенциальных кандидатов, рождаемых в протон-протонных соударениях в детекторе CMS. В CMS отбираются около 400 наиболее интересных событий в секунду, из которых примерно 10 событий используются для поиска B → μμ. Эти события классифицируются далее согласно характеристикам двух мюонов, для максимально возможного уменьшения фона и сохранения сигнальных событий.

Кроме поиска пар мюонов, рождаемых в В-распадах, CMS также должен знать с достаточно хорошей точностью, какое количество В-мезонов рождено в целом. Это значение оценивается из расчета другого, хорошо изученного распада B⁰-мезонов.

Первый взгляд стороннего наблюдателя

Изображение 3: Распределение ди-мюонных масс. Сиреневая и красная кривые показывают сигналы B⁰ и B_s , соответственно, пунктирные линии – зеленая и черные показывают три различных типа фона. Сплошная синяя кривая описывает суммарную аппроксимацию компонентов.

Для этого исследования были использованы экспериментальные данные, набранные CMS в 2011 и 2012 годах, со статистикой 4,9 фб–1 и 20,4 фб–1 (обратные фемтобарны) соответственно. Превышение числа событий в распаде B_s → μμ над фоном в распределениях событий по инвариантной массе мюонных пар позволяет оценить вероятность этого распада на уровне 3.0^+1.0_–0.9 x 10^–9 с суммарным учетом систематической и статистической ошибок. Статистическая значимость этого наблюдения составляет 4,3σ. Статья по результатам этого исследования направлена вжурнал Physical Review Letters.

Измерение распада B_s → μμ, выполненное CMS, совпадает с предсказаниями СМ 3,60,3 x 10^–9, убедительно демонстрируя незыблемость предсказаний СМ. Также были проведены поиски распада B⁰ → μμ и установлен верхний предел на вероятность этого распада, ниже которого распад обнаружен не был. Этот предел составил 1,1 x 10^–9 при 95% уровне статистической достоверности (уровень статистической достоверности (CL) соответствует проценту независимых статистических тестов с результатом в указанном диапазоне. Например, 95% уровень значимости означает, что результат измерения будет находиться в указанном диапазоне в 95% случаев), что также согласуется со Стандартной моделью.

Изображение 4: Двумерный контур показывает статистическую значимость измерений распадов B_s → μμ и B⁰ → μμ. Вставки показывают одномерные проекции, в которых минимумы кривых соответствуют наилучшей аппроксимации значений вероятности распадов, а пересечения с нулем на оси Х показывают статистическую значимость измерений.

Что дальше?

Радость выдающегося измерения сопровождается некоторой долей разочарования для тех, кто ожидал увидеть новую физику. Большие ожидания от распада B_s → μμ были связаны с потенциальной возможностью проделать брешь в Стандартной модели. Тем не менее история далека от завершения. Так как БАК продолжит поставлять новые данные, точность, с которой CMS и другие эксперименты могут измерять этот ключевой распад, все время постоянно улучшается. Увеличивающаяся точность поможет установить границы применимости СМ и может указать путь вперед, который может вести за пределы современных горизонтов физики высоких энергий. К тому же следующий сеанс БАК в 2015 году обеспечит увеличение чувствительности CMS, необходимой для измерения вероятности распада measure B⁰ → μμ на уровне предсказаний СМ.

Наблюдение этого редкого распада B⁰ является важной вехой 25-летнего пути, но впереди нас ждут еще неизведанные территории физики частиц.