В поисках новой физики

06 октября 2014 г.

На сегодняшний день в физике сложилась парадоксальная ситуация. Все взаимодействия в микромире прекрасно описываются так называемой Стандартной моделью (СМ) – теоретической конструкцией, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех известных элементарных частиц. Четвертый вид взаимодействия – гравитационный– не описывается СМ, однако его влияние в микромире пренебрежимо мало. Несмотря на триумф СМ при описании микромира, существуют экспериментальные указания на ее неполноту. Так, СМ оказывается неспособна описать результаты таких астрофизических наблюдений, как барионная асимметрия Вселенной (СМ не может объяснить, почему видимая часть нашей Вселенной состоит из материи, а не антиматерии), проблема темной материи (форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения, однако необходима для описания аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик). Также СМ не объясняет наблюдение нейтринных осцилляций (превращения одного вида нейтрино в другой). Помимо экспериментальных, существуют и теоретические трудности СМ, которых мы сейчас касаться не будем. Эти факты указывают на существование Новой Физики (НФ) – новых видов фундаментальных взаимодействий, которые необходимо обнаружить и описать.

Согласно СМ, все вещество состоит из 12 фундаментальных квантовых полей, квантами которых являются три поколения фермионов (частиц с полуцелым спином) – кварков и лептонов (u, d, e, υ_e ,), (c, s, μ, υ_μ ) и (t, b, τ , υ_τ ) – и 12 соответствующих им античастиц. Каждое поколение включает кварки с дробными электрическими зарядами +2/3 и -1/3, лептон с единичным зарядом и легкую нейтральную частицу нейтрино. Существование этих частиц подтверждено многочисленными экспериментами и не вызывает никаких сомнений. Эти точечные частицы могут превращаться - аннигилировать и рассеиваться друг-на-друге, обмениваясь виртуальными массивными переносчиками слабого взаимодействия W^± - и Z⁰ -бозонами (частицами с целым спином). Электрическизаряженные частицы могут взаимодействовать между собой, обмениваясь фотонами – переносчиками электромагнитного взаимодействия. Эти два типа сил прекрасно описываются квантовой электродинамикой (КЭД) и имеют общую природу – электрослабое калибровочное взаимодействие, проявляющееся при энергиях порядка 200 ГэВ (для сравнения: энергия связи электрона в атоме меньше на семь порядков). При меньших энергиях электрослабое взаимодействие «расщепляется» на две составляющие. В СМ это нарушение описывается при помощи механизма Энглера-Браута-Хиггса и связано с наличием скалярного поля с ненулевым вакуумным средним, кванты этого поля (бозоны Хиггса) были открыты в 2012 году экспериментами ATLAS и CMS на Большом Адронном Коллайдере (БАК).

Сильное взаимодействие между кварками в СМ описывается квантовой хромодинамикой (КХД). Этот вид взаимодействия обладает рядом замечательных свойств. Так, его интенсивность возрастает с уменьшением энергии. Кроме того, глюоны – переносчики этого взаимодействия сами обладают его зарядом и поэтому могут взаимодействовать между собой. Например, один глюон может расщепиться на два глюона. Фотоны электрическим зарядом не обладают. Все это приводит к тому, что кварки не могут существовать в свободном виде, а встречаются лишь в виде связанных состояний (адронов). К адронам, в частности, относятся барионы – трехкварковые состояния, и мезоны – кваркантикварковые состояния.

Экспериментальный поиск НФ (и указаний на нее) ведется в Пояснение к схеме распада Типичное событие-кандидат для распада B 0 s → μ + μ - . Два мюонных трека из распада B s 0 мезона проходят через все детекторные системы LHCb. Помимо них событие содержит большое количество треков от других частиц, родившихся в этом же протон-протонном столкновении. двух направлениях: прямой поиск рождения частиц НФ в столкновениях частиц СМ на ускорителях, а также проверка СМ в процессах, в которых возможны отклонения от ее предсказаний за счет влияния виртуальных частиц. Простейшим известным примером влияния виртуальных частиц на результаты измерений является лэмбовское смещение уровней атома водорода, обусловленное испусканием и поглощением связанным электроном виртуальных фотонов, а также с возможностью виртуального рождения и аннигиляции в вакууме электроннопозитронных пар, что искажает кулоновский потенциал ядра. Это приводит к небольшому отклонению тонкой структуры уровней водородоподобных атомов от предсказаний релятивистской квантовой механики, не учитывающих эти эффекты.

В последние десятилетия в связи с прогрессом в физике ускорителей и с увеличением точности теоретических вычислений, в качестве объектов, на которых проводятся измерения предсказаний СМ, часто выбираются адроны, содержащие тяжелые b- и с-кварки (из-за малого времени жизни самый массивный t-кварк не успевает образовать связанное состояние). Особый интерес представляют процессы, вероятность которых сильно подавлена (но вычисляема) в СМ. Отклонения от предсказаний СМ в таких процессах могут свидетельствовать о существовании новых элементарных частиц с массами до 100 000 ГэВ. Для сравнения, по состоянию на сегодняшний день в экспериментах на БАК возможно прямое рождение частиц с массой меньше 2 000 ГэВ.

Примерами таких процессов может служить распад электрически-нейтральных B⁰ - и B_s⁰ - мезонов (связанные состояния b и анти-d или b анти-s кварков соответственно) на пару электрически заряженных лептонов. Особый интерес представляют распады B_s⁰ → μ⁺μ^- . Их довольно легко зарегистрировать, так как мюоны очень слабо взаимодействуют с веществом, но «оставляют» заметные следы (треки) в детекторах. Из-за того, что аннигиляция b и анти-s в СМ описывается только через испускание и поглощение нескольких промежуточных кварков и бозонов, предсказывалось, что по этому каналу будет распадаться примерно три на миллиард рожденных B_s⁰ -мезонов и один на 10 миллиардов B⁰ . На сегодняшний день только БАК может обеспечить такую колоссальную статистику прелестных мезонов (так называют мезоны, в состав которых входит b-кварк, от английского beauty – прелестный).

Выделение таких редких распадов – довольно сложный процесс. Под события этого типа может маскироваться, например, одновременное рождение двух B_(s)⁰ -мезонов, каждый из которых распадется с испусканием лишь одного мюона. Для того, чтобы выделить события, относящиеся к B_(s)⁰ → μ⁺μ^- распадам, физики применяют так называемые мультивариантные методы, которые учитывают корреляции между дискриминирующими переменными-параметрами, по которым можно отличить настоящее событие от «поддельного». Следует отметить, что ведущую роль в анализе такого рода, проведенном на детекторе LHCb, играла группа физиков ПИЯФ под руководством члена-корреспондента РАН А.А. Воробьева. В итоге в июле 2013 года эксперименты LHCb и CMS сообщили о наблюдении редкого распада B_s⁰ → μ⁺μ^- , причем измеренная вероятность этого перехода согласуется с предсказаниями СМ. Надежды на обнаружение НФ в этом распаде пока не оправдались. Следующим шагом должна стать регистрация еще более редкого B⁰ → μ⁺μ^- распада и измерение отношения вероятностей B_s⁰ → и B⁰ → μ⁺μ^- процессов – величины довольно строго фиксированного СМ.

Некоторые теоретические построения предполагали существование так называемых лептокварков. Аннигиляция b и анти-s с испусканием подобной частицы существенно увеличила бы вероятность распада типа B⁰ → eμ, которая ничтожно мала в СМ. Однако эксперименты по поиску подобного распада не выявили событий-кандидатов и позволили только получить верхний предел вероятности такого перехода. Это измерение существенно ограничило возможный диапазон масс лептокварков (m lq >100000ГэВ). Таким образом, измерение, выполненное на масштабе энергий несколько ГэВ, а именно такова масса B⁰ –мезона, позволило проверить возможность существования частиц с массой на 4-5 порядков больше.

Распады B-мезонов на два лептона – это лишь один из множества процессов, пригодных для поиска указаний на НФ. О других возможностях поиска я расскажу в следующей заметке.

Алексей Дзюба

Гатчинская правда, № 110 (20554) от 30 сентября

Читайте также