Изучение адронных распадов

Некоторая терминология

Как и любые другие нестабильные частицы, адроны распадаются. В зависимости от массы и типа адрона картина его распада может быть самой разной и столь же разным может быть физический процесс, вызвавший распад. Поэтому за словами «Изучение адронных распадов» скрывается не одна, а сразу несколько научных задач из разных областей физики элементарных частиц, которые и предстоит решать Большому адронному коллайдеру.

Каждый тип распада называется каналом распада (или модой распада), и таких каналов у каждой частицы может быть очень много. Когда частица рождается, то невозможно предсказать наверняка, по какому каналу она распадется; такая неопределенность — фундаментальное свойство квантовой механики. Всё, что можно сказать, это с какой вероятностью она распадется по тому или иному каналу. Эту вероятность можно сосчитать теоретически и можно измерить в эксперименте, повторяя процесс рождения и распада много раз и подсчитывая количество событий с нужным распадом.

Для примерной привязки к типу взаимодействий принято выделять следующие типы распадов:

• адронные распады (они же нелептонные распады): продуктами распада являются другие адроны;
• лептонные распады: продуктами распада являются лептоны;
• полулептонные распады: среди продуктов распада есть и лептоны, и адроны;
• радиационные распады: любой распад, сопровождающийся излучением фотона высокой энергии.

Если адронный распад идет без изменения кваркового аромата, то он обычно вызван чистой физикой сильных взаимодействий (или изредка — электромагнитными явлениями). Если аромат изменяется, то его фундаментальной причиной является слабое взаимодействие, хотя и адронная физика, конечно, тоже влияет на свойства распада. То же касается лептонных и полулептонных распадов, нужно лишь проверить, сохраняется ли суммарный кварковый аромат. Например, распад J/ψ → μ⁺μ^– идет без изменения суммарного аромата, поскольку внутри J/ψ-мезона (кварковая структура c-анти-c) сидит очарованный кварк и точно такой же антикварк, и их ароматы компенсируются. Поэтому этот распад не требует участия слабых взаимодействий, а может идти за счет однофотонной аннигиляции. Зато распад B_s → μ⁺μ^– неизбежно включает слабые взаимодействия (рис. 1), поскольку внутри B_s-мезона находится несимметричная кварковая комбинация s-анти-b, а значит, кварковый аромат этого мезона ненулевой. И наконец, распады адронов могут быть вызваны новыми гипотетическими частицами, силами и прочими эффектами, выходящими за пределы Стандартной модели. Именно поэтому изучение адронных распадов (и в особенности редких распадов) — это один из методов поиска Новой физики.

Рис. 1. Распад B_s-мезона (s-анти-b) на μ⁺μ^–-пару в рамках Стандартной модели идет через слабое взаимодействие (W- и Z-бозоны). Изображение с сайта resonaances.blogspot.com

В этом классе задач физиков интересуют распады за счет слабого взаимодействия или Новой физики. Чисто адронные процессы относятся к задачам адронной спектроскопии.

Поиск и изучение редких распадов

Для поиска эффектов Новой физики очень подходят редкие распады адронов. Если какой-то процесс очень редкий, то это значит, что в Стандартной модели есть некое препятствие для этого процесса. Оно вполне может быть не универсальным, а специфичным именно для Стандартной модели, и может уже не выполняться в моделях Новой физики. Поэтому именно в редких распадах эффекты Новой физики могут проступать очень контрастно на фоне стандартных эффектов. Если окажется, что какой-то редкий распад существенно усилен по сравнению с предсказанием Стандартной модели, это будет долгожданным прямым указанием на Новую физику.

Редкие распады можно условно отклассифицировать по степени их редкости. Просто «редкими» можно назвать распады, которые хоть и имеют маленькую вероятность (обычно намного меньше одной тысячной), но всё равно достаточно хорошо наблюдаются в эксперименте и позволяют набрать большую статистику. «Сверхредкими» можно назвать распады, само обнаружение которых представляет существенную трудность (см. пример ниже). Наконец, особняком стоят «запрещенные» распады — это те, вероятность которых в Стандартной модели исчезающе мала или равна нулю. В соответствии с этой классификацией, задачей LHC является:

• В случае редкого распада — аккуратно измерить его вероятность и тщательно изучить его свойства (угловые распределения, поляризацию и т. п.). Сравнивая эти величины с теоретическими предсказаниями, можно пытаться найти отличия от Стандартной модели.
• В случае сверхредкого распада — доказать его существование и приблизительно измерить его вероятность. Если отличие от теоретических ожиданий будет сильным, то даже небольшая статистика событий приведет к важному научному результату.
• Наконец, в случае запрещенных распадов — убедиться, что этих распадов по-прежнему не видно и установить улучшенные ограничения сверху на их вероятности. Такой результат, как правило, накладывает более жесткие ограничения на различные модели Новой физики, в рамках которых эти процессы могли бы происходить. Ну а если результат поисков будет положительным, то надежная регистрация даже одного-единственного четко доказанного события станет серьезным открытием.

Надо сказать, что поиском и изучением редких распадов адронов физики занимаются уже давным давно, как на адронных коллайдерах, так и на «B-фабриках» — специальных электрон-позитронных коллайдерах, оптимизированных для рождения прелестных мезонов. Поэтому LHC тут будет новым, но далеко не первым игроком. Уже более десятилетия работает специальная группа HFAG, которая анализирует данные по распадам, поступающие с нескольких коллайдеров, и сводит их в единое число. На их веб-сайте в удобном для изучения виде представлена вся полученная ими информация с 2002 года, в том числе и по редким распадам. Сводки этой группы по состоянию на начало 2010 года характеризуют состояние этой области исследования к началу полноценной работы Большого адронного коллайдера. Для примера на рис. 2 приведены измеренные значения и ограничения сверху на разнообразные лептонные и полулептонные распады нейтральных и заряженных B-мезонов.

Рис. 2. Сводка экспериментальных результатов коллабораций CDF, Belle, и BaBar по лептонным и полулептонным распадам B-мезонов по состоянию на апрель 2012 года, а также их усредненные значения (показаны черным цветом), найденные группой HFAG. Вероятность здесь выражена в миллионых долях

Сверхредкий распад B_(s) → μ⁺μ^–

Хотя редкие распады есть у разных адронов, наиболее богатыми на возможности и потенциальные открытия являются распады B-мезонов. Среди них выделяются лептонные распады нейтральных мезонов B и B_s, но интересны и многочисленные полулептонные и некоторые адронные распады B, B_s, и их заряженного собрата B^±.

Среди всех редких распадов B-мезонов наибольшее внмание приковано к лептонным распадам B_s → μ⁺μ^– и B → μ⁺μ^–. В рамках Стандартной модели их вероятность очень мала, но всё же находится в пределах досягаемости: примерно 3,2·10^–9 для B_s-мезона и 10^–10 для B-мезона. За этим распадом физики охотятся уже почти 30 лет; на рис. 3 показана история поисков этого распада в экспериментах на предыдущих ускорителях. До регистрации этих распадов осталось сделать последний рывок, и Большому адронному коллайдеру он вполне по силам.

Рис. 3. История поисков лептонного распада B-мезона (красный цвет) и B_s-мезона (синий цвет). Символами показаны верхние ограничения на вероятность этого распада, полученные в разных экспериментах. Горизонтальными линиями отмечены предсказания Стандартной модели. Адаптированное изображение со страницы CMS B-physics results

Такое пристальное внимание к этому распаду связано не только с тем, что он очень очень слаб (и для этого в Стандартной модели есть сразу несколько причин), но и с его резким усилением в некоторых суперсимметричных моделях. Более того, теоретический анализ показывает, что некоторые разновидности суперсимметрии проще открыть именно в этом распаде, нежели в прямых поисках суперсимметричных частиц. Однако для этого экспериментаторам потребуется не только зарегистрировать этот распад и измерить его вероятность, но и убедиться, что она значительно отличается от предсказаний Стандартной модели.

Дополнительные ссылки:

• HFAG Coll. Averages of b-hadron, c-hadron, and tau-lepton properties as of early 2012 // е-принт arXiv:1207.1158 [hep-ex] — детальный отчет группы HFAG, включающий уже и данные LHC. Более ранние данные см. на странице группы HFAG.