В поисках новой физики

С 18 по 24 июля в Стокгольме проходила Конференция по физике высоких энергий Европейского физического общества, в которой приняла участие делегация ОИЯИ во главе с директором Института академиком В.А.Матвеевым. В канун этого форума мы получили сообщения от сотрудников ОИЯИ, принимающих участие в экспериментах на переднем крае физики частиц, о новых результатах, представленных на конференции.

Поздравляем сотрудников ОИЯИ - участников эксперимента CMS с получением новых физических результатов!

Детектор CMS - компактный мюонный соленоид на LHC зарегистрировал редкий распад, предсказанный Стандартной моделью физики частиц. О наблюдении распада B_s мезонов на пару мюонов объявлено на двухгодичной конференции Европейского физического общества по физике высоких энергий в Стокгольме 19 июля.

Ожидается, что при рождении миллиарда B_s мезонов только около трех из них распадаются на пару мюонов, тяжелых родственников электронов. Эти распады являются идеальным процессом для поиска сигнала "новой физики": отклонение от прецизионного предсказания Стандартной модели (СМ) может служить индикатором наличия физики за пределами Стандартной модели (ПСМ).

Распад наблюдался на CMS с вероятностью 3,0^+1.0_-0.9 x 10^-9 при статистической значимости 4,3, что соответствует предсказанию Стандартной модели 3,6±0,3 x 10^-9. Статистическая значимость соответствует вероятности наблюдения только одного из 100 000 событий, обусловленных случайными флуктуациями фона.

Известно, что исключительно успешная Стандартная модель физики частиц, несмотря на удивительную точность предсказаний в течение многих лет, не отличается полнотой: она не дает объяснений ни космологическим наблюдениям темной материи, ни доминированию материи над антиматерией во Вселенной. Если физика за ПСМ лежит в пределах постижимого и это проявится на БАК, то коллаборация CMS проведет систематические поиски сигналов, предсказываемых различными расширениями Стандартной модели.

Распад B-мезонов (состоящих из одного b-кварка и легкого кварка) на два мюона (µ) является идеальным методом непрямого наблюдения физики за ПСМ. Распады двух типов B-мезонов - B⁰ (состоящих из b-кварков и d-кварков) и B_s (состоящих из b-кварков и s-кварков) на пары мюонов сильно подавлены в СМ, хотя некоторые расширения Стандартной модели предсказывают либо значительное превышение, либо даже более сильное подавление этих распадов. Любое несовпадение измеренных вероятностей распада с предсказаниями СМ будет проявлением ясного сигнала физики за ПСМ. Более 25 лет многие эксперименты на различных типах коллайдеров ориентированы на поиск этих редких распадов.

За это время установленные пределы чувствительности улучшены на четыре порядка, приближаясь к величине, предсказанной СМ. Впервые ясное наблюдение существования распада B_s на два мюона продемонстрировано в эксперименте LHCb в ноябре 2012 года со статистической значимостью 3,5.

Кандидат события распада B_s на два мюона, зарегистрированного детектором CMS в 2012 году в протон-протонных соударениях при 8 ТэВ.

Экспериментальный поиск этих редких процессов требует обнаружения нескольких полезных событий среди огромного количества фоновых: лишь три из каждого миллиарда B_s мезонов могут распадаться на два мюона, и даже меньше - для распада B⁰ мезонов.

Первая трудность в поиске редких сигнальных событий заключается в идентификации потенциальных кандидатов, рождаемых в протон-протонных соударениях в детекторе CMS. В CMS отбираются около 400 наиболее интересных событий в секунду, и примерно 10 из них используются для поиска B µµ. Эти события классифицируются далее согласно характеристикам двух мюонов для максимально возможного уменьшения фона и сохранения сигнальных событий.

Кроме поиска пар мюонов, рождаемых в В-распадах, CMS также ориентирован на то, чтобы знать с достаточно хорошей точностью, какое количество В-мезонов рождено в целом. Это значение оценивается из расчета другого, хорошо изученного распада B₀ мезонов.

Измерение распада B_s на два мюона, выполненное CMS, совпадает с предсказаниями СМ, убедительно демонстрируя незыблемость предсказаний этой модели. Также были проведены поиски распада B⁰ на два мюона и установлен верхний предел на его вероятность, ниже которого распад обнаружен не был. Этот предел составил 1,1 x 10^-9 при 95-процентном уровне статистической достоверности, что также согласуется со Стандартной моделью.

Большие ожидания от распада B_s на два мюона были связаны с потенциальной возможностью проделать брешь в Стандартной модели. Тем не менее, история далека от завершения. Так как LHC продолжит поставлять новые данные, точность, с которой на CMS и в других экспериментах могут измерять этот ключевой распад, постоянно улучшается. Это поможет установить границы применимости СМ и указать путь, который может вести за пределы современных горизонтов физики высоких энергий. К тому же следующий сеанс LHC в 2015 году обеспечит увеличение чувствительности CMS, необходимой для измерения вероятности распада B⁰ на два мюона на уровне предсказаний СМ.

А.ЗАРУБИН, руководитель группы ОИЯИ в CMS

Более подробную информацию можно найти на сайте CMS: http://cern.ch/cms.