Новая проверка лептонной универсальности не прояснила ситуацию

Сводка текущих измерений для величины R(D*), подготовленная группой HFAG

Словно режиссер многосерийного приключенческого сериала, природа порой держит нас, своих «зрителей», в подвешенном состоянии неопределенности и ожидания. На Большом адронном коллайдере обнаружилось за последние годы несколько загадочных отклонений от Стандартной модели. И если отклонения при высоких энергиях постепенно исчезают под натиском новых более точных данных, то загадки, связанные с распадами B-мезонов, наоборот, только подтверждаются. Но подтверждаются они как-то неокончательно, с оговорками, поэтому ни одно из этих отклонений до сих пор не переросло в настоящее открытие нобелевского калибра.

Одна из аномалий — это вопиющее нарушение лептонной универсальности слабого взаимодействия в распаде B → Dlν, обнаруженное сразу несколькими экспериментами: Belle, BaBar и LHCb. Физики изучали распады (Bto D^-tau^+ nu) и (Bto D^-mu^+ nu), которые отличаются только лептонами, но не мезонами. Отношение этих двух распадов четко предсказывается в рамках Стандартной модели: R(D)SM = 0,297 ± 0,017. Также проверялась и другая пара распадов — с участием возбужденного D-мезона, (Bto D^{*-}tau^+ nu) и (Bto D^{*-}mu^+ nu). Это отношение предсказывается еще точнее: R(D*)SM = 0,252 ± 0,003.

Однако измерения обеих величин показывают значения, существенно отличающиеся от Стандартной модели. Оценивается, что совокупная статистическая значимость обоих отклонений достигает примерно 4σ. Вместе с другими отклонениями в B-физике это нарушение стало одной из самых горячих тем в физике частиц в последние пару лет. Достаточно сказать, что в июньском номере журнала Nature вышли сразу две обзорные статьи про эти отклонения. Для Nature, который подчеркнуто чурается физики частиц и с огромным скрипом публикует по одной экспериментальной статье в год, — явление совершенно беспрецедентное.

Причина, по которой этот распад вызвал подобный интерес, очевидна. Любое отклонение от Стандартной модели — это прямое указание на Новую физику, за которой экспериментаторы охотятся уже несколько десятилетий. На диаграммах на рис. 2 показано, что такое лептонная универсальность и как может возникать отклонение от нее. В Стандартной модели распад идет через W-бозон, который цепляется к мюону или к тау-лептону совершенно одинаковым, универсальным образом. Но за пределами Стандартной модели это равенство может сильно нарушаться.

Рис. 2. Распады B-мезонов на D и лептон-нейтринную пару

Как обстоит дело в нашем мире — должен ответить только эксперимент. Отклонение 4σ — это очень серьезно даже по строгим меркам физики элементарных частиц, но все-таки не дотягивает до полноценного открытия. Для этого надо увеличить точность измерения, а также убедиться, что это отклонение присутствует для всех вариантов последующего распада тау-лептона. Здесь есть два основных варианта: распад тау только на лептоны или с рождением адронов.

До недавнего времени LHCb изучал только лептонный распад тау-лептона. По правде говоря, это само по себе было подвигом: от адронного коллайдера изначально такого не ожидали. Значение R(D*) тогда получилось 0,336 ± 0,027 ± 0,030, где отдельно указаны статистическая и систематическая погрешности. Это существенно отличается от предсказаний СМ.

На днях LHCb наконец-то завершил анализ этого же процесса, но уже с адронным распадом тау-лептона, в котором кроме нейтрино вылетают три заряженных пи-мезона. Результат, обнародованный в статье arXiv:1708.08856, оказался откровенно разочаровывающим: R(D*) = 0,285 ± 0,019 ± 0,025 ± 0,013 (третья погрешность относится к самой процедуре извлечения этой величины). Это ни рыба, ни мясо: в пределах погрешностей это значение не противоречит ни Стандартной модели, ни предыдущим измерениям, в которых обнаружились отклонения. На рис. 1 показана подборка всех измерений этого отношения. Последнее измерение LHCb с адронным распадом тау — это нижняя зеленая точка; она лежит примерно посередине между предсказаниями СМ (красная полоса) и тем, что эксперименты в среднем выдавали до этого.

Конечно, загадка с нарушением лептонной универсальности пока не пропала. На том же рисунке зеленой полосой показано нынешнее среднее с учетом всех измерений. Оно лежит заметно в стороне от предсказаний СМ. Если взять оба отношения, R(D) и R(D*), и сравнить их с СМ, то нынешнее отклонение составляет 4,1σ — столь же существенное, как и раньше. Теоретики, правда, надеялись, что с новым измерением отклонение окрепнет, но, увы, пока этого не случилось.

Самое приятное в этой ситуации — это что все опубликованные до сих пор результаты LHCb относятся только к сеансу Run 1. Но коллайдер уже третий год накапливает данные в рамках сеанса Run 2. У LHCb уже есть новый объем сырых данных, сравнимый с предыдущим, но он пока еще не обработан. Физики с нетерпением ждут первых результатов по загадочным распадам B-мезонов с LHCb, а также с обновленного детектора Belle, который начнет набор данных в следующем году.

Источник