LHCb: Udoskonalone pomiary uniwersalności leptonów wykazują zgodność z Modelem Standardowym

20 grudnia na seminarium w CERN zespół LHCb Collaboration zaprezentował nowe testy uniwersalności leptonów, jednej z podstawowych zasad Modelu Standardowego (SM) fizyki cząstek elementarnych. Zasada ta stwierdza, że ​​SM traktuje trzy naładowane leptony (elektrony, miony i taony) identycznie, z wyjątkiem różnic wynikających z ich różnych mas. Wyniki są zgodne z SM.

W ogłoszonym komunikacie zespół autorów tak wyjaśnia istotę pomiarów i wyniku:

Rozpady użyte w tej analizie do badania uniwersalności leptonów są niezwykle rzadkie. Obejmują one przekształcenie kwarka pięknego w kwark dziwny (b→s), proces, który w SM jest silnie tłumiony i może na niego wpływać istnienie nowych cząstek. Te nieodkryte cząstki mogą mieć zbyt duże masy, aby mogły zostać wyprodukowane bezpośrednio w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Dla przejść b→s testuje się uniwersalność leptonów porównując stosunki szybkości rozpadu cząstki pięknej b na różne leptony. Znaczące odchylenie od tych przewidywań wskazywałoby na nową fizykę wykraczającą poza SM. Poprzednie wyniki ujawniły ślady odchyleń od uniwersalności leptonów, z których żadne nie było wystarczająco istotne statystycznie, aby same w sobie stanowiły wyraźne oznaki nowej fizyki. Jednak zaobserwowany wzorzec odchyleń od przewidywań SM mógł wskazywać na istnienie nowej fizyki.

Szczególną uwagę zwrócono na dwa parametry, R_K i R_K*. Stosunek R_K opisuje, jak często mezon B⁺ rozpada się na naładowany kaon i parę przeciwnie naładowanych mionów (K⁺μ⁺μ^–) lub elektrony (K⁺e⁺e^–). Stosunek R_K*⁰ jest podobny, tylko mezon K+ jest zastępowany przez mezon K*⁰ w rozpadzie mezonu B. Poprzednie wyniki R_K wskazywały na dowody na łamanie uniwersalności leptonów w rozpadach kwarków pięknych, z istotnością 3,1 odchylenia standardowego. Poprzednie pomiary R_K*, choć miały mniejszą czułość statystyczną, wykazywały ten sam spójny wzorzec odchyleń.

Ogłoszone obecnie wyniki przedstawiają równoczesny pomiar R_K i R_K* przy użyciu pełnej próbki danych LHC z okresu Run1 i Run2, co prowadzi do poprawy precyzji obu wielkości. Jednoczesna analiza pozwala na spójne podejście do efektów eksperymentalnych, w tym krzyżowe podawanie między różnymi rozpadami. 

Opublikowane wyniki pokazują ogólną zgodność z przewidywaniami Modelu Standardowego na poziomie 0,2 odchylenia standardowego. 

Pełny komunikat na ten temat można przeczytać na stronie eksperymentu: https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2022/12/20/improved-lepton-universalit....

Rezultat komentują naukowcy z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ, profesorowie Kamila Kowalska i Enrico Sessolo.

Nowe wyniki z LHCb kończą wieloletnie wysiłki zarówno eksperymentatorów, jak i teoretyków, mające na celu zrozumienie potencjalnych odstępstw od uniwersalności zapachu leptonów w rozpadach mezonów B. Obserwacje te są ściśle związane z bardziej ogólną kwestią pochodzenia zapachu w Modelu Standardowym, co w skrócie jest pytaniem, dlaczego znane fermiony występują w trzech rodzinach o podobnych oddziaływaniach, ale o różnej masie.

Dzisiejsze wyniki pokazują, że wcześniej zgłaszane anomalie na poziomie trzech odchyleń standardowych od oczekiwanych wyników w obserwowalnych obiektach R_k i R_k*, które w ostatnich latach generowały wiele spekulacji na temat Nowej Fizyki – od postulowania nowych oddziaływań cechowania, przez leptokwarki, a nawet supersymetrię w wersji bez ciemnej materii – nie wytrzymał dodatkowej kontroli z większą ilością danych i ulepszoną identyfikacją tła. Uniwersalność oddziaływań dla elektronów i mionów, podstawowa zasada Modelu Standardowego, została po raz kolejny potwierdzona.

Jest to niewątpliwie rozczarowanie dla teoretyków cząstek elementarnych, ponieważ pozorny - jak się okazało - problem dołącza do długiej listy wyników, które początkowo wydawały się wskazywać na nowe zjawiska, które później znikały wraz z udoskonaloną analizą eksperymentalną. Ale potwierdza również piękno i solidność obecnego paradygmatu, który od lat siedemdziesiątych trzymał się mocno, prawie niewzruszony. Z pozytywnego punktu widzenia należy podkreślić, że dzisiejsze wyniki pozostawiają dużo miejsca na odkrycie nowych oddziaływań, które są uniwersalne w zapachu, ponieważ wiele anomalii w obserwowalnych kątach i współczynników rozgałęzień dla rozpadów mezonów B pozostaje niewyjaśnione”

W uzupełnieniu warto dodać, że naukowcy z Zakładu Fizyki Wielkich Energii NCBJ biorą udział w pracach Kolaboracji LHCb i są współautorami opublikowanych wyników, dane eksperymentu są przechowywane i przetwarzane m.in. na serwerach CIŚ, a fragmenty detektora LHCb zostały wykonane w naszym instytucie.