Прецизионная точность для прелестного странного мезона

Коллаборации исследователей, в которой участвуют и ученые из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, удалось с очень высокой точностью измерить явление осцилляции (то есть перехода частицы в античастицу и наоборот) для B_s-мезонов. Эксперимент LHCb работает на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН (Швейцария). Статья об этом была опубликована в журнале Nature.

«Явление осцилляций прелестных странных мезонов (B_s-мезонов) впервые было открыто в 2006 году на детекторе CDF в Фермилабе, — говорит заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН академик Александр Евгеньевич Бондарь. — Однако теоретически оно было предсказано намного раньше, и с тех пор все очень ожидали экспериментального обнаружения. С 2006 года качество таких измерений существенно увеличилось, и на БАКе получилось измерить эффект осцилляций прецизионно, намного лучше, чем было сделано до этого».

Как известно, Большой адронный коллайдер — это кольцевой ускоритель протонов, где два пучка с энергией 13 тераэлектронвольт сталкиваются, в результате чего рождается большое количество частиц, в том числе и B-мезонов (их еще называют прелестными, от слова beauty). Перед исследователями стоит задача: зарегистрировать такие частицы и изучить их свойства. Для этого создан специальный детектор — LHCb, где и был в числе прочих поставлен эксперимент, о котором идет речь.

«Прелестные мезоны живут достаточно долго по сравнению с другими частицами, это можно наблюдать по тому, что они относительно далеко отлетают от первичной точки взаимодействия протонов, — объясняет Александр Бондарь. — Тут полезно отметить, что благодаря релятивистскому фактору, который в эксперименте достигает нескольких десятков, а то и сотен, при времени жизни чуть больше пикосекунды прелестный мезон успевает пролететь расстояние порядка нескольких сантиметров». Для того чтобы определить, что в конкретном событии была долгоживущая частица, в эксперименте LHCb используется специальный полупроводниковый координатный детектор с высоким пространственным разрешением, приближенный очень близко к протонным пучкам. Дело в том, что прелестные мезоны, как и частицы — продукты их распада, летят вдоль пучка с относительно небольшим углом, и для регистрации этих частиц с большей эффективностью трековый вершинный детектор размещают максимально близко к пучку. «Благодаря именно такому детектору в эксперименте LHCb удается с высокой точностью измерять времена жизни и время осцилляций прелестных мезонов», — добавляет Александр Бондарь.

Детектор LHCb. Фото ЦЕРН

Однако для всех этих исследований просто узнать место распада недостаточно, нужно уметь определять энергии продуктов распада, и остальная часть детектора в основном сосредоточена на решении этих задач. Так, для того, чтобы измерить импульс заряженных частиц, в детекторе установлен магнитный спектрометр: там в магнитном поле траектория заряженной частицы искривляется и по углу поворота определяется ее импульс. Энергия же гамма-квантов измеряется в электромагнитном калориметре. «Кроме того, нужно определять и сорт вторичных частиц — это очень важно для дальнейшего анализа событий. Для этого используется специальное устройство, которое мы называем системой идентификации частиц, где используются черенковские счетчики, газовые и на основе аэрогеля, который производился в ИЯФ СО РАН и Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН. Дальше есть система сбора данных, которая всю информацию, полученную отдельными элементами детектора, преобразует в цифровой вид, записывает и анализирует. Это должно происходить с очень большой скоростью», — комментирует Александр Бондарь. Он подчеркивает, что детектор LHCb уникален, другого такого в мире нет, и поэтому рекордные возможности измерения осцилляций прелестных странных мезонов были достигнуты именно в этом эксперименте.

В чем же физический смысл явления осцилляций и почему так важно измерить их с максимальной точностью? «Здесь нужно начать с нейтральных странных мезонов, частиц, которые состоят из странного кварка и легкого d-антикварка и не имеют электрического заряда, — поясняет Александр Бондарь. — Они легчайшие в своем классе, их распад возможен только за счет слабого взаимодействия». Впервые явление осцилляций в таких системах было обнаружено в середине 1960-х годов для нейтральных каонов. Оказалось, что если в процессе каких-то ядерных взаимодействий рождается частица и живет относительно длительное время, то за свою жизнь она может самопроизвольно превратиться в античастицу (и наоборот). Что примечательно, осцилляции происходят благодаря очень слабым взаимодействиям, которые, однако, чувствительны к влиянию виртуальных (участвующих в процессе на очень короткий миг, а затем пропадающих) тяжелых частиц, которые могут быть намного тяжелее, чем мезоны. «Измерив осцилляции нейтральных каонов, ученым удалось понять, что существуют очарованные кварки, еще не наблюдая их в эксперименте, — говорит Александр Бондарь. — Очарованные кварки были обнаружены много позже, в 1974 году. Однако уже при прецизионном измерении осцилляций каонов физики поняли: трех известных на тот момент кварков недостаточно, чтобы объяснить свойства этой нейтральной частицы. Так что сначала очарованный кварк возник на кончике пера, как теоретическое построение, а потом он был найден экспериментально. До сих пор детальное изучение осцилляций мезонов — универсальный инструмент для физиков в целях поиска новых частиц».

По словам Александра Бондаря, прецизионное знание свойств и параметров осцилляций (в частности, их частоты) дает очень важную характеристику, которая очень сильно зависит от интенсивности взаимодействия, переводящего частицу в античастицу и обратно. «Если мы узнаем эту величину, то сможем сравнить ее с ожидаемой в теоретической картине. Могу сказать, что она хорошо согласуется с тем, что мы надеемся увидеть в Стандартной модели», — отмечает ученый.

Однако тут есть любопытный момент. Если в случае с очарованными кварками теория надолго опередила эксперимент, то здесь получается наоборот: теоретические предсказания частоты осцилляций прелестных странных мезонов более грубые, чем полученные в настоящее время в высокоточных измерениях. «Это связано с тем, что частота осцилляций мезонов зависит не только от слабых взаимодействий, но также возникают поправки и от эффектов сильного взаимодействия, которые плохо вычисляются в теории, — рассказывает Александр Бондарь. — Поэтому проведенное на LHCb исследование — это задел на будущее, когда теория достигнет возможностей сегодняшнего эксперимента. Перспектива для этого есть: сейчас многие физики связывают возможный прогресс в теоретической точности расчетов с расчетами на решетках, это численные методы, которые позволяют почти из первопринципов получать поправки за счет сильного взаимодействия, влияющие на измеряемые величины».

По словам ученого, соотнести эксперимент и теорию очень важно, потому что по-прежнему такие явления, как осцилляции, чувствительны к гипотетическим новым частицам гораздо большей массы, чем те, которые доступны для наблюдения. «Интересно опять обнаружить расхождения теоретических предсказаний и экспериментальных измерений, и если это произойдет, то такое расхождение будет сигналом того, что мы видим ту самую Новую физику, которую все сейчас ищут», — акцентирует Александр Бондарь.

Екатерина Пустолякова