Et andet antydning af en overtrædelse af standardmodellen fundet hos LHC • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elementer" • LHC, Fysik

Et andet antydning af en overtrædelse af Standard Model fundet hos LHC

Fig. 1. En af varianterne af B-meson-forfaldet, forårsaget af kvarktransformationen \ (b \ til s \ ell ^ + \ ell ^ – \), hvor der var endnu en gang afsløret om afvigelser fra standardmodellen.

Den anden dag fra CERN kom nyheden om, at en anden dimension af Large Hadron Collider er i strid med forudsigelserne fra Standard Model. Resultatet, der blev offentliggjort af LHCb-samarbejdet efter mere end fire års analyse, er faktisk forskelligt fra teoretiske forudsigelser, men ikke så signifikant, at man kan tale om opdagelse. Men det vigtigste her er, at denne afvigelse ikke er en ting. Det passer ind i en række andre anomalier i henfald. B-mønstre, hvilket øger deres kollektive divergens med standardmodellen. Alt ser ud som om fysikerne virkelig følte et bestemt "smertefulde punkt" på microworlden, og nu forsøger de at udtrække maksimal information herfra.

Gader af charmerende mesoner

Hovedelementet i moderne elementærfysik er at opdage New Physics, et mere grundlæggende lag i beskrivelsen af ​​microworld, som standardmodellen hviler på. Fysikere er sikre på dets eksistens, for mange indirekte tegn angiver det, men det har indtil videre ikke været muligt at pålidelige opdage direkte uoverensstemmelser med standardmodellen.Stor Hadron Collider, det vigtigste instrument i moderne partikelfysik, er rettet mod netop dette. Den bærer hundredvis af muligheder for at analysere akkumulerede data på jagt efter pålidelige tegn på en revne i den nuværende forståelse af hvordan microworld fungerer.

Vi har gentagne gange sagt, at søgningen efter New Physics ikke kun kan udføres med "brute force" -metoden, men forsøger at generere nye tunge partikler direkte, men også ved "snedige" gennem nøjagtige målinger af sjældne fænomener. Den mest populære klasse af sådanne processer er henfald. Bmesoner, eller dejlige mesoner, som de kaldes i fysisk jargon. De omfatter en tung b-quark, som kan bryde ned i nogle kvarker lettere, og dette åbner op for et stort væld af muligheder. Alle sådanne nedfald kan studeres eksperimentelt, og som det viste sig i de senere år, er nogle af dem overraskende: deres sandsynligheder eller andre egenskaber er mærkbart forskellige fra forudsigelserne fra standardmodellen.

Blandt alle disse transformationer, skiller sig især ud bs ledsaget af et muon- eller elektron-positronpar: \\\\\\\\\ e+e eller μ+μ. Specifikt eksempel på henfald B-meson forårsaget af en sådan kvarktransformation er vist i fig. 1.Dette er en ret sjælden proces, det forekommer med en sandsynlighed på mindre end en million. En sådan lillehed opstår, fordi der inden for rammerne af standardmodellen ikke er nogen partikel, der ville kunne ændre typen af ​​kvark uden at ændre ladningen. Derfor går denne proces i to faser, btsog kræver hjælp fra tunge virtuelle partikler. Men da Standardmodellens bidrag er så lille betyder det, at de svage virkninger af den hypotetiske New Physics kan blande sig i og ændre sig væsentligt i sandsynligheden for denne proces eller vinkelfordelingen af ​​spredepartiklerne.

I løbet af de sidste par år er indsatsen fra LHCb-samarbejdet i første omgang i virkeligheden fundet afvigelser i disse nedfald. Ja, de er endnu ikke statistisk signifikante, så vi kan trygt tale om opdagelsen af ​​New Physics. Men der er allerede et par af dem, og med ankomsten af ​​flere og flere nye data forsvinder de ikke. På siden af ​​colliderens puslespil ser vi nøje på to af dem: Dette er en stærk forskel i sandsynligheden for forfald. BK*μμ og Bsφμμ (med ca. 3,5σ) og et antydning ved en overtrædelse af lekton universaliteten af ​​det svage samspil (2.6σ). Vi tilføjer også, at en ikke mindre alvorlig afvigelse fra lepton universalitet blev fundet i transformationen b → c, hvoraf ingen forventede sådanne tricks.

Endelig – og dette er et meget opmuntrende øjeblik! – Alle disse afvigelser giver ikke indtryk af noget uberegneligt. Målte værdier afviges ikke overalt, men i en generel retning. Mere præcis ordlyd er som følger. Hvis teoretisk "graver" i dybden af ​​processen \ (b \ til s \ ell ^ + \ ell ^ – \) og tilføjer hypotetiske interaktioner af en bestemt type, der er forbudt i standardmodellen, forskydes forudsigelserne for alle afvigende værdier generelt der, hvor dataene peger på. Det er denne sammenhæng i flere små afvigelser, der har tiltrukket fysikernes opmærksomhed i de senere år.

Nyt resultat

Resultatet annonceret den anden dag er en anden afvigelse fra samme serie. Den 18. april talte LHCb-samarbejdet om et seminar på CERN om varme resultater fra collideren om at teste lepton universalitet i henfaldene (B \ til K ^ * \ ell ^ + \ ell ^ – \). Lepton universalitet tilhører svag interaktion til at handle lige (universelt) på leptoner af forskellige slags. Lad teoretikere ikke nøjagtigt beregne sandsynligheden for henfald \ (B \ til K ^ * \ mu ^ + \ mu ^ – \) (det er vist i figur 1) og \ (B \ til K ^ * e ^ + e ^ – \), men så ved de, at deres forhold er \ [R_ {K ^ *} = {B \ til K ^ * \ mu ^ + \ mu ^ – \ over B \ til K ^ * e ^ + e ^ -} \] bør inden for rammerne af standardmodellen være meget tæt på en.Desuden skal denne enhed være opfyldt ikke kun for de fuldstændige henfaldssandsynligheder, men også for differentielle dem, det vil sige i fordelingen over den invariante masse af leptonparret q2.

LHCb fandt imidlertid, at ifølge deres målinger, RK* signifikant mindre end en (figur 2).

Fig. 2. Forholdet mellem sandsynlighederne for henfaldene \ (B \ til K ^ * \ mu ^ + \ mu ^ – \) og \ (B \ til K ^ * e ^ + e ^ – \) for forskellige invariantmasser af leptonparret. Sorte prikker med fejl – LHCb data, farvede symboler – Forudsigelser baseret på standardmodellen, lavet af forskellige grupper. Billede fra den diskuterede rapport

Samarbejdet målt dette forhold separat for små invariant masser af leptonpar. q2 <1 GeV2 (det vil sige når leptonparet flyver ud med et stort afkast og en lille spredningsvinkel) og for mellemstore, op til q2 = 6 GeV2 (maksimum i denne proces er 19 GeV2). På disse to områder RK* viste sig at være lig med:

lille q2: Forskellen fra CM ved 2.2σ,
gennemsnit q2: \ {R_ {K ^ *} = 0 {,} 685 ^ {+ 0.113} _ {- 0,069} \ pm 0 {,} 047 \), forskellen fra CM ved 2.4σ.

I begge tilfælde er den første af disse fejl statistiske, den anden er systematisk. At den statistiske fejl stadig dominerer, er ikke overraskende. Det er meget sværere at registrere denne proces med elektroner end hos muoner – faktisk har der hidtil ikke været en pålidelig sammenligning af dem.Eksperimenterne fra LHCb formåede at indsamle kun et par dusin begivenheder med et elektron-positron-par (imod hundrede med en muon-en), og de blev den største kilde til usikkerheder.

Der er to vigtige tilføjelser til dette resultat.

For det første genoprettes to decays – med elektroner og muoner – af en detektor med meget forskellige effektiviteter. Når de måles, opstår deres egen karakteristiske kilder til systematiske fejl, og det er meget vanskeligt at sammenligne dem direkte med hinanden. Derfor opstår der et fornuftigt spørgsmål: Hvorfor er fysikere så sikre på, at denne uoverensstemmelse ikke er en instrumentel artefakt forårsaget af ikke-ideel registrering, men noget rigtigt?

Svaret er, at LHCb-samarbejdet udførte flere krydskontrol af denne effektivitet i andre processer studeret meget mere præcist – og alt var inden for det forventede område. Måske er det stærkeste argument, at der i denne analyse altid er en støtteproces ved hånden: forfald B-meson på K* og J/ψ-meson og J/ψ yderligere splittes i samme lepton par. Sådan forfald forekommer hundrede gange oftere, det er fanget af den samme selektionsalgoritme, men i den garanteret ingen overraskelserhvad eksperimenterne var overbevist om for pålidelighed.Derfor er værdien RK* målt i virkeligheden gennem dobbelt forhold:

\ [R_ {K ^ *} = {Br (B ​​\ til K ^ * \ mu ^ + \ mu ^ -) / Br (B ​​\ til K ^ * J / \ psi [\ til \ mu ^ + \ mu ^ -]) over Br (B ​​\ til K ^ * e ^ + e ^ -) / Br (B ​​\ til K ^ * J / \ psi [\ ee + e ^ -])}. \]

I denne henseende er mange fejlkilder blevet reduceret, der er forbundet med både den teoretiske beskrivelse og den eksperimentelle registrering, og tallene angivet ovenfor gælder for det.

Det andet punkt er dette. Resultaterne, der blev annonceret, blev kun opnået på run 1-sessionsstatistik. Datasættet blev gennemført i 2012, men deres analyse krævede på grund af dets kompleksitet mere end fire års arbejde. Nu er Run 2-sessionen, som varer indtil udgangen af ​​2018, i fuld gang, og ifølge resultaterne opsamles flere gange flere data. Antallet af registrerede nedfald af denne type vil også stige, de statistiske fejl vil betydeligt falde, og forskellen fra SM, hvis den vedvarer, bliver meget mere imponerende.

Husk også, at LHCb for to år siden rapporterede en meget lignende afvigelse i et andet par henfald: \ (B ^ + \ til K ^ + \ ell ^ + \ ell ^ – \), se LHCb-nyhederne for en uventet afvigelse fra leptonet universalitet og på siden Violation af lepton universalitet i forfaldet B+K+ll. Forholdet målt på det tidspunkt var 2,6σ forskelligt fra enhed og også nedad. Hovedforskellen mellem jobbet og det nye LHCb-resultat er det KMesonerne i slutningen er forskellige: Tidligere var det en almindelig kaon med spin 0, nu en ophidset kaon med spin 1. Forskellige spins af den endelige meson er et meget vigtigt øjeblik, fordi kvarkerne tilføjer til hadroner på forskellige måder, og leptonparet udsendes i en lidt anderledes mekanisme, især i området for små q2. Som følge heraf tillader forskellige henfald os at overveje den samme mystiske quarkproces \ (b \ til s \ ell ^ + \ ell ^ – \) fra forskellige vinkler. Og det faktum, at LHCb ser de samme afvigelser i begge, styrker tilliden til, at vi ikke er i en statistisk udsving, men i noget mere håndgribeligt. Det eneste, der endnu ikke er klart, er, om det er en indikation af en rigtig ny fysik eller en endnu ikke fanget punktering i dataanalyse eller i teoretiske beregninger.

Situationen i dag

Så det ser ud til, at ved fælles bestræbelser fra flere forsøg, og især LHCb, har vi følt et bestemt "smertefuldt punkt" i verden af ​​elementære partikler. Det har været i flere år nu, det forsvinder ikke, men øges endda med ankomsten af ​​nye data og forfining af teoretiske forudsigelser. Vi har allerede flere forskellige henfald. B-soner, hvor noget går galt – men hvad er det endnu ikke klart.Desuden er alle disse uregelmæssigheder dømt ved den teoretiske analyse generelt i overensstemmelse med hinanden og kollektivt afviger fra SM forudsigelserne med 4σ og højere afhængigt af detaljerne i sammenligningen.

Det nye resultat passer perfekt ind i dette billede og forbedrer yderligere afvigelsen. Siden meddelelsen om dette resultat er der gået et par dage, men over et dusin teoretiske artikler er allerede optrådt i arkivet af elektroniske preprints, herunder denne observation i den generelle analyse. Nu taler teoretikerne allerede om den kumulative forskel fra CM på 5σ-niveauet. I de kommende år vil situationen fortsat forværres. Nu er den vigtigste kilde til usikkerheder statistiske fejl i LHCb-eksperimentet. I løbet af få år, når en væsentlig del af Run 2-statistikken behandles, vil denne fejl falde et par gange – og hvad der synes at være et hint kan blive til en fuldverdig opdagelse. Anyway, takket være LHCb eksperimentet – jeg må sige, den eneste af LHC eksperimenterne, der regelmæssigt leverer positive resultater! – vi vil helt sikkert ikke kede sig.

Kilde: S. Bifani (for LHCb Collaboration). Søg efter nye fysik med bsl+l henfalder ved LHCb // rapport på seminaret LHC Seminar den 18. april 2017.

Yderligere materialer:
1) Populær gennemgang af LHCb resultater.
2) LHCb finder standardmodellen // tilgængelig fra CERN.
3) Standardmodellen er tvivlsom: Er lepton universalitet opfyldt i henfald af charmerende mesoner? // notat på stedet for INP SB RAS (Novosibirsk).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: