Визуализация распада Bs - мезона в данных прогона 2. Две красные линии соответствуют двум мюонам от распада. Кредит: ЦЕРН

На Большом адронном коллайдере (БАК) ЦЕРН исследования редких процессов позволяют ученым сделать вывод о наличии тяжелых частиц, в том числе неоткрытых частиц, которые не могут быть получены напрямую. Широко распространено мнение, что такие частицы существуют за пределами Стандартной модели и могут помочь объяснить некоторые загадки Вселенной, такие как существование темной материи, массы нейтрино (неуловимых частиц, изначально считавшихся безмассовыми) и материи Вселенной.

Одним из таких процессов является редкий распад нейтральных В-мезонов на пару мюон-антимюон: более тяжелого кузена электрона в паре с соответствующей ему античастицей. Есть два типа нейтральных B-мезонов: B⁰ - мезон состоит из красивого антикварка и нижнего кварка, тогда как для B_s -мезона нижний кварк заменен странным кварком. Исследователи предсказали, что если не будет новых частиц, влияющих на эти редкие распады, только один из 250 миллионов B_s -мезонов распадется на пару мюон-антимюон; для мезона B⁰ этот процесс еще более редок, всего один случай на 10 миллиардов.

Ученые искали экспериментальное подтверждение этих распадов с 1980-х годов. Только недавно, в 2014 году, было сообщено о первом наблюдении распада B_s на мюоны в комбинированном анализе данных, полученных коллаборациями LHCb и CMS, позже подтвержденных экспериментами ATLAS, CMS и LHCb по отдельности. Однако распад B⁰ все еще ускользает от любых попыток его наблюдения.

Используя данные прогона 2 LHC, эксперимент CMS выпустил новое исследование скорости распада и времени жизни распада B_s -мезона, а также поиск распада B⁰. Новое исследование, представленное на Международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP), использует не только большой объем проанализированных данных, но и передовые алгоритмы машинного обучения, которые выделяют редкие события распада из подавляющего фона событий, производимых миллионами столкновений частиц в секунду.

Результаты выявили очень четкий сигнал распада Bs -мезона на пару мюон-антимюон. Точность измерения скорости затухания превышает точность, достигнутую в предыдущих измерениях в других экспериментах.

Как наблюдаемая скорость распада B_s, составляющая 3,8 ± 0,4 части на миллиард, так и время его жизни, равное 1,8 ± 0,2 пикосекунды (одна пикосекунда составляет одну триллионную долю секунды), очень близки к значениям, предсказываемым Стандартной моделью.

Что касается распада B⁰, то, хотя из этих результатов не было обнаружено никаких доказательств этого, физики могут с 95-процентной статистической достоверностью заявить, что скорость его распада составляет менее 1 части на 5 миллиардов.

В последние годы в распадах других редких B-мезонов наблюдался ряд аномалий с расхождениями между теоретическими предсказаниями и данными, что указывает на потенциальное существование новых частиц. Новый результат CMS намного ближе к теоретическим предсказаниям, чем эти другие редкие распады, и поэтому может помочь ученым понять природу аномалий.

Редкие распады B-мезонов продолжают вызывать большой интерес у ученых. Теперь, когда распад B_s - мезона на мюон был точно установлен и измерен с высокой точностью, ученые устремили свой взор на главный приз: распад B⁰. Имея большие наборы данных, ожидаемые от LHC Run 3, они надеются мельком увидеть этот чрезвычайно редкий процесс и узнать больше о загадочных аномалиях.