LHCb målte et nyt henfald af en smuk baryon, men kunne ikke løse en langvarig gåde • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elementer" • LHCb detektor, Hadron egenskaber, LHC

LHCb målte et nyt forfald af en smuk baryon, men kunne ikke løse en langvarig gåde

Fig. 1. Forskellen mellem eksklusive og inklusiv henfald på eksemplet på B meson. I det eksklusive forfald taler vi om en bestemt partikel i slutningen, i den inklusiv ene – summation over alle partikler med den nødvendige kvarkkomposition udføres.

LHCb-samarbejdet rapporterer om registrering af et andet sjældent forfald af en charmerende baryon \ (\ Lambda_b \) – i protoner og leptoner. Takket være ham lykkedes det at tage et nyt kig på omdannelsen af ​​b-quarken til u-quarken – en mystisk proces, hvor en uforklarlig uoverensstemmelse mellem de to målemetoder længe har eksisteret. Det nye resultat giver en klar præference for en metode og er meget i modsætning til resultaterne fra den anden, men det eliminerer ikke problemet fuldstændigt.

LHCb-samarbejdet, behandling af statistik fra LHC Run 1-sessionen og måling af flere og flere nye egenskaber af dejlige hadroner, fortsætter med at producere resultater, som ændrer vores forståelse af forskellige aspekter af hadronfysik. I sin nye artikel Bestemmelse af quarkkoblingsstyrken | Vub| ved hjælp af baryoniske nedfald offentliggjort for nylig i et magasin Naturfysik og også tilgængelig i arkivet af e-prints, rapporterer holdet om at observere et nyt semileptonisk henfald af en charmerende baryon \ (\ Lambda_b \), den der for nylig hjalp dem med at opdage en tung pentaquark (se: Hadron af en ny type opdaget – en pentaquark med skjult charme " Elements ", 20.07.2015).Denne gang brugte LHCb det til at måle sandsynligheden for, at en b-kvark bliver til en u-kvark – en proces, som et langvarigt mysterium er forbundet med partikelfysik.

Som enhver transformation af kvarker i hinanden sker overgangen \ (b \ til u \) under virkningen af ​​en svag interaktion. Standardmodellen kan ikke forklare disse overgange, den beskriver kun dem med en numerisk kvarkblandingsmatrix (til opdagelsen af ​​denne metode til beskrivelse af transformationer af kvarker, især Nobelprisen i fysik i 2008 blev tildelt). Tallene i denne matrix skal måles eksperimentelt – og jo bedre de måles, jo flere chancer fysikere skal gætte deres mønstre og forstå, hvor de kommer fra.

Overgangen \ (b \ til u \) er beskrevet af et element i denne matrix, betegnet med | Vub|. Dette tal er omkring 4 tusindedele, og på grund af dette er de nedfald, der er forårsaget af en sådan overgang, lille sandsynlighed og er vanskelige at måle. Ikke desto mindre blev de registreret for længe siden, hvilket tillod os at bestemme | Vub|. Problemet er, at to forskellige målemetoder giver stædigt værdier, der afviger stærkt fra hinanden, og fysikere forstår stadig ikke hvorfor.

Disse to målemetoder – gennem inklusive og gennem eksklusive henfald – er forskellige fra dette. Vi er interesserede i sandsynligheden for kvarktransformationen, men da kvarkerne sidder inde i haverne, kan vi eksperimentelt måle kun nedbrydning af hadroner (figur 1). For at gøre dette kan vi bruge eksklusive henfald med nogle specifikke partikler i begyndelsen og i slutningen, eller vi kan bruge inkluderende dem – det er, når vi opsummerer alle de sidste hadroner med den nødvendige kvarkkomposition. Disse to metoder tillader, med støtte fra teoretikere, at udvinde den samme værdi – i vores tilfælde | Vub|, – men de adskiller sig meget i deres eksperimentelle og teoretiske subtiliteter.

I de seneste årtier er mange målinger af nedbrydningerne af B-mesoner blevet udført, primært i Belle- og BaBar-eksperimenterne ved e+e-kolliderere, der har lov til at måle | Vub| begge metoder. Deres resultater varierer meget. Fra inklusiv henfald viste det sig, at \ (| V_ % | = (4, \! 41 \ pm 0, \! 15 {} ^ {+ 0,15} _ {- 0,17}) \ cdot 10 ^ {- 3 } \) af de eksklusive – et mærkbart mindre antal \ ((3, \! 28 \ pm 0, \! 29) \ cdot 10 ^ {- 3} \). Uoverensstemmelsen er signifikant ved tre standardafvigelser; det kan ikke tilskrives unøjagtigheden af ​​teoretiske beregninger, eller det er umuligt at finde en anden rimelig forklaring.Dette er enten en fejl i forsøgsteknikken (men hvilken af ​​dem?) Eller et nyt fysisk fænomen. Selv i en anden, mere sandsynlig overgang af b-quarken til c-quarken observeres en lignende "friktion". Dette problem er blevet så irriterende for fysikere, at der i år blev afholdt en særlig videnskabelig konference, der helt er afsat til de "ulydige" henfald af b-quarken.

I den nye artikel rapporterer LHCb-samarbejdet, at det for første gang har målt en anden eksklusiv forfald: \ (\ Lambda_b \ til p \ mu ^ – \ bar \ nu \). Denne undersøgelse er karakteriseret ved ordet "for første gang" i flere sanser på en gang. For det første registreres dette forfald normalt for første gang. Det skete fordi på e+e-colliders \ (\ Lambda_b \) – baryoner blev ikke født, men Large Hadron Collider producerer dem i store mængder. For det andet er dette den første proces, hvorved man omdanner en b-kvark til en u-kvark, som LHCb-detektoren "så". For det tredje er dette det første tilfælde at måle værdien af ​​| Vub| i baryon og ikke meson henfald.

Der er stadig et meget nysgerrig øjeblik. For ti år siden blev det antaget, at Hadron Collider skulle måle | Vub| bare uvirkeligt. Derfor forventer LHCb-samarbejdet ikke engang, at det ville være i stand til at måle dette henfald og registrere overgangen \ (b \ til u \).Til deres overraskelse kunne de gøre det – og detektorens høje kvalitet og metoderne til databehandling og analyse, der er gået langt fremme. Så dette er også et vigtigt "resultat" af LHC Run 1-sessionen: collideren var endnu engang i stand til at gøre mere end forventet fra det i starten.

Hvad angår selve måling \ (\ Lambda_b \ til p \ mu ^ – \ bar \ nu \) ligger hovedproblemet heri, at det ønskede signal skal adskilles fra den store baggrund \ (\ Lambda_b \ til \ Lambda_c ^ + \ mu ^ – \ bar \ nu \) (i dette henfald falder b-quarken i en c-quark). Baryon \ (\ Lambda_c ^ + \) lever meget mindre end \ (\ Lambda_b \) – se på skalaen af ​​levetiden for elementære partikler – og det opløses også med emission af en proton. Men i dette tilfælde flyver ikke blot en proton og en muon ud af det sekundære vertex, men også et par andre ladede partikler (figur 2). Denne funktion hjælper med at adskille signalet fra baggrunden.

Fig. 2. Generel opfattelse af spredning af partikler i tilfælde af interesse (til venstre) og i baggrundshændelsen (til højre). De kan adskilles på grund af det faktum, at kun to ladede partikler i en signalhændelse flyver ud af sekundærhornet og nogle få i baggrunden. Billede fra U. Egede-rapporten, 2015. | Vub|: Eksperimentelle problemer @LCHb

Ved at adskille signalet fra baggrunden kastede fysikerne ikke disse baggrundshændelser, men tværtimod tællede dem omhyggeligt.Den værdi, der faktisk er målt i eksperimentet, er forholdet mellem antallet af signalhændelser og baggrundshændelser. Dette er meget praktisk, fordi der i denne henseende reduceres nogle systematiske fejl. Fra dette forhold blev forholdet afledt | Vub| / | Vcb|, hvorfra fysikere allerede har opnået den ønskede værdi | V, som allerede er baseret på andre data og ved meget nylige teoretiske beregningerub|.

Resultatet af denne flertrinsanalyse er: \ (| V_ % | = (3, \! 27 \ pm 0, \! 15 \ pm 0, \! 16 \ pm 0, \! 06) \ cdot 10 ^ {- 3 } \), hvor den første fejl er rent eksperimentel, og de to andre er teoretiske. Denne værdi falder helt sammen med, at de giver eksklusive henfald af B mesoner, og som følge heraf skifter den samlede balance af kræfter til deres fordel. Det løser dog ikke gåden: en ny dimension er endnu stærkere, allerede ved 3,5σ, i modsætning til resultaterne af inklusiv henfald (figur 3). Måske skal vi forsøge at finde en ny måde at måle inklusiv henfald, måske skal vi sætte os ned igen og håndtere teoretiske beregninger. På en eller anden måde er denne dimension langt fra LHCbs sidste ord. I troen på deres egen styrke vil denne gruppe nu forsøge at måle | Vub| og på andre måder.

Fig. 3. Tre grupper af måleparameter | Vub|: Inklusiv (grøn) og eksklusiv (den røde) henfald af B mesons, samt et nyt LHCb resultat (blå). Billede fra U. Egede-rapporten, 2015. | Vub|: Eksperimentelle problemer @LCHb

En ny dimension lukker forresten et ret naivt forsøg på at løse et dilemma ved hjælp af New Physics. Tidligere, da kun to numre kolliderede, ekstraheret fra inklusiv og eksklusiv B-meson henfald, var der en teoretisk mulighed for at forene dem med hinanden ved hjælp af en ny type interaktion. Resultatet af LHCb lukker denne funktion. Tre baner i fig. 4, svarende til tre forskellige resultater inden for rammerne af den nye interaktionshypotese, overlapper alle tre ikke på noget sted.

Fig. 4. Magnitude | vub| udvundet fra inklusive (rød stribe), eksklusiv (blå bar) og nye LHCb data (grøn bar) under antagelse af eksistensen af ​​en ny type kræfter. Parameter εR (vandret) viser intensiteten af ​​denne hypotetiske kraft; ε værdiR = 0 svarer til standardmodellen. Tre bands ingen steder på et tidspunkt. Gul ellipse – formel formidling af resultater det passer ikke godt sammen med alle tre dimensioner. Billede fra artiklen i diskussion Naturfysik

Tilsyneladende er der faktisk en slags subtil fejl enten i selve eksperimentelle metode eller i den teoretiske fortolkning af dataene, og fysikere bliver nødt til at søge efter det yderligere. Nå, de, der vil føle, hvilke finesser man skal gå ind i, kan tage et kig på en meget ny artikel – en diskussion af netop denne gåde.

Kilde: LHCb samarbejde. Bestemmelse af quarkkoblingsstyrken | Vub| ved hjælp af baryoniske henfald // Naturfysik. 2015. DOI: 10.1038 / nphys3415.

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: :???: :?: :!: