Распад B_s-мезона на мюон-антимюонную пару

Что обнаружено

30 лет физики охотились за сверхредким распадом B_s-мезона на мюон-антимюонную пару, вероятность которого в СМ равна (3,66±0,23)·10⁻⁹, и еще более редким таким же распадом B-мезона (без индекса s) с ожидаемой вероятностью примерно 10⁻¹⁰. LHCb и CMS, объединив данные, наконец-то открыли первый распад — и он оказалася близким к предсказаниям СМ, — а также увидели намеки на второй. Вероятность этого распада оказалась намного выше ожиданий: в \(3.7^{+1.6}_{-1.4}\) раз. Отклонение этого числа от единицы оценивается в 2,2σ.

Результаты измерения вероятностей распадов B_s→μμ (по горизонтали) и B→μμ (по вертикали). Красный крестик — предсказания Стандартной модели. Источник

После некоторого периода неопределенности, ситуация прояснилась в марте 2017 года, когда LHCb обработала результаты сеанса Run 1 и отчасти — Run 2. Распад B_s-мезонов оказался вполне стандартным, а намеки на аналогичный распад B-мезона исчезли. Загадка рассеялась.

Комментарии

Сентябрь 2015. Надо сказать, что оба распада очень похожи друг на друга и отличаются лишь инвариантной массой мюонной пары. Поскольку мюонные сигналы от этих двух мезонов перекрываются в пределах экспериментальных погрешностей, разделение единого пика на два мезона — задача очень сложная. Несмотря на заявленное отклонение, распределение по инвариантной массе не выглядит убедительным, по крайней мере для невооруженного взгляда.

Распределение событий по инвариантной массе мюонной пары и разделение данных на два пика, отвечающих двум мезонам. Источник

Полезно также напомнить, что в 2011 году вокруг (не)наблюдения распада B_s→μμ развернулась научная драма. Детектор CDF с коллайдера Тэватрон сообщил, что видит этот распад (хотя по СМ не должен был), однако уже месяц спустя два детектора с LHC опровергли этот результат. Подробный рассказ об этой ситуации см. в новости LHC не подтверждает еще один результат CDF.

Апрель 2016. Коллаборация ATLAS тоже выполнила поиск этого сверхредкого распада обоих мезонов и толком не нашла ни одного из них. Погрешности у ATLAS заметно выше, чем у LHCb, но если результаты формально объединить, то статистическая значимость отклонения падает ниже 2σ.

Март 2017. Коллаборация LHCb поставила жирную точку в этой истории. Обработав все данные Run 1 и часть Run 2, она выяснила, что вероятность распада B_s-мезона составляет (3,0 ± 0,6)·10⁻⁹ и вписывается в предсказания Стандартной модели. Наметившиеся ранее намеки на аналогичный распад B-мезона пропали: ограничение сверху на его вероятность оценивается теперь в 3,4·10⁻¹⁰.

Распределение событий, прошедших отбор, по инвариантной массе мюонной пары. Черные точки с погрешностями — данные LHCb, красный и зеленый пунктиры — вклады искомых распадов B_s и B-мезонов, прочие пунктирные линии — вклады источников фона. Синяя сплошная кривая — сумма всех вкладов. Изображение из обсуждаемой статьи

Ссылки

Экспериментальные данные:

• LHCb Сoll., Measurement of the B_s⁰→μ⁺μ⁻ branching fraction and effective lifetime and search for B⁰→μ⁺μ⁻ decays // arXiv:1703.05747 [hep-ex].
• ATLAS Coll. Study of the rare decays of B_s⁰ and B⁰ into muon pairs from data collected during the LHC Run 1 with the ATLAS detector // arXiv:1604.04263 [hep-ex].
• CMS Сoll. and LHCb Сoll., Observation of the rare B_s⁰→μ⁺μ^– decay from the combined analysis of CMS and LHCb data // Nature 522, 68–72 (04 June 2015).

Популярные сообщения:

• LHCb представила новые измерения распадов прелестных мезонов на мюонную пару // «Элементы», 16.04.2017.
• ATLAS не проясняет ситуацию с распадом B-мезона на мюоны // «Элементы», 26.04.2016.
• Опубликованы окончательные результаты CMS и LHCb по сверхредким распадам B-мезонов // «Элементы», 19.11.2014.
• Результаты CMS и LHCb по распаду B_s→μμ объединены // «Элементы», 29.07.2013.
• Детектор LHCb видит важнейший сверхредкий распад B_s-мезонов // «Элементы», 12.11.2012.
• Детектор CMS скоро начнет чувствовать сверхредкий распад B_s-мезонов // «Элементы», 29.02.2012.