Давненько я не брал в руки тяжелых кварков

Недавно в СМИ промелькнула новость о том, что в распадах B-мезона обнаружились некоторые странности. Возможно даже отклонения от Стандартной Модели частиц. Это было бы здорово, поскольку таковые ищут уже 25 лет, и пока нашли только массы у нейтрино, что, в общем-то, в рамки СМ вписывается. А вот с этими B-мезонами ситуация интересная. Поскольку я свою кандидатскую про них писал, попробую объяснить, в чем там фишка.

Существует 6 типов кварков: d,u,s,c,b,t. Первые 3 намного легче протона, последние 3 намного тяжелее, поэтому c,b,t называют тяжелыми кварками. Тяжелые кварки нестабильны, но b и c живут довольно долго (по меркам физики высоких энергий) и образуют "молекулы" (мезоны и барионы) с легкими кварками и глюонами. Скажем, B-мезон содержит один b-кварк. Типичный распад B-мезона происходит так: b-кварк испускает виртуальный W-бозон и превращается в c-кварк. Тем самым b-содержщий B-мезон превращается в c-содержащий D-мезон (ужасная номенклатура). Далее W-бозон моментально распадается либо на легкие кварк и антикварк, либо на лептон и антилептон. Лептонов тоже 6: электрон, мюон, тау-лептон, и соответствующие им нейтрино. Ситуация, когда B-мезон распадается на лептон-антилептонную пару очень "чистая" с теоретической точки зрения, поскольку лептоны потом просто разлетаются (кварки же сильно между собой взаимодействуют, и этот процесс плохо понят). Далее, согласно СМ, W-бозону абсолютно все равно, на какие лептоны распадаться. Так называемая "лептонная демократия". Отсюда, казалось бы, следует, что вероятность распада B-мезона на D-мезон и разные лептон-антилептонные пары не должна зависеть от того, какой там лептон: электрон, мюон или тау. Но это верно только если у продуктов распада одинаковые энергии и импульсы. Обычно проще померить суммарную вероятность распада, без каких либо ограничений на кинетическую энергию и импульс продуктов распада. Т.е. просуммировать вероятности распада для всех возможных значений импульсов продуктов распада. Но поскольку тау намного тяжелее электрона, то у электрона гораздо больше возможных значений кинетической энергий, чем у тау. Ведь полная энергия продуктов распада складывается из кинетической энергии и массы покоя этих продуктов. Раз масса покоя тау больше, то на кинетическую энергию остается меньше (запас энергии фиксирован и равен разности масс покоя B-мезона и D-мезона). Раз пространство возможностей для электрона больше, то B-мезон с большей вероятностью распадается на пару электрон-электронное нейтрино, чем тау-таонное неитрино. Мюон, конечно, тоже тяжелее, чем электрон, но его масса намного меньше запаса энергии, так что с точки зрения кинематики распада он все равно, что электрон. Т.е. СМ предсказывает, что вероятность распада B-мезона на D-мезон и лептон-антилептонную пару будет одинаковой для случая, когда лептон - это электрон или мюон, а когда лептон - это тау, она будет меньше. Эксперимент это подтверждает. Можно однако пойти дальше и сделать предсказание, насколько реже в продуктах распада B-мезона встречается тау, чем электрон или мюон. В конце концов, это чисто кинематический эффект. (На самом деле там есть свои теоретические тонкости, но их можно преодолеть. В понимание этих тонкостей внес большой вклад traveller2). Теоретическое предсказание: отношение вероятностей распада R равно 0.297, если конечный продукт это D, и 0.252 если это D* (другой c- содержащий мезон). Точность предсказания я не указываю, но она намного лучше для D* (около одного процента), чем для D (около 4 процентов).

Что же говорят эксперименты? Их пока три: BaBar (Стэнфорд, США), BELLE (Цукуба, Япония) и LHCb (Женева, Швейцария). BaBar и BELLE используют столкновения электронов и позитронов чтобы производить B-мезоны. LHCb смотрит на B-мезоны, получающиеся в процессе столкновения протонов в Большом Адронном Коллайдере. BaBar первым заметил, что измереннoе значение R около 0.35, т.е. больше, чем предсказывает СМ. Т.е. W-бозон предпочитает распадаться в тау, в то время как СМ говорит, что он должен одинаково распадаться на разные типы лептонов. Но точность измерений была невелика, и расхождение можно было отнести на счет недостатка статистики или систематических погрешностей (тау долго не живет, его приходится идентифицировать по продуктам распада, что непросто). Аналогичные результаты получили на BELLE. Весной вышла статья группы LHCb, которая измерила R(D*)=0.336 со статистической погрешностью 0.027 и систематической 0.030. Важно, что отклонение от СМ в ту же сторону, что и у BaBar и BELLE, хотя систематические погрешности совершенно другие. Если тупо усреднить все три измерения, получится отклонение от теории на уровне 3.9 sigma, но так, конечно, делать нельзя. Тем не менее, теперь труднее списать это на ошибки экспериментаторов, ведь протонные и электронные коллайдеры очень разные, и погрешности там разные. Но пока это еще не smoking gun. В перспективе LHCb должен существенно улучшить свои погрешности. Также через пару лет должен заработать улучшенный вариант BELLE (BELLE II), где статистические погрешности тоже будут намного меньше. В общем, ждем и надеемся, что это не просто экспериментальный глюк.