14 мая 2021

Квантовые превращения Bs-мезонов измерены с рекордной точностью

Эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), направил в печать новый результат по физике Bs-мезонов. С рекордной точностью измерена частота осцилляций, возникающих из-за процессов смешивания Bs – анти-Bs.

Электрически нейтральные прелестно-странные мезоны (Bs) образованы b-кварком и анти-s-кварком. Для таких квантовых систем характерны осцилляции – спонтанные переходы частица-античастица, то есть переходы между различными состояниями системы по аромату (типу) кварков, составляющих её. При рождении и распадах Bs- и анти-Bs-мезонов их кварковый состав может быть зафиксирован экспериментально, однако в процессе их распространения (существования) указать точный кварковый состав частицы принципиально невозможно.

 Дело в том, что для электрически нейтральных мезонов характерны сразу несколько способов определения базисов, по которым может быть разложена волновая функция частицы, и кварковый состав является лишь одним из них. Другим способом являются массовые состояния. Наблюдаемые частицы и античастицы можно представить в виде линейной комбинации двух массовых состояний: легкого (L, light) и тяжелого (H, heavy). Они характеризуются массой (mL и mH) и собственной шириной (ГL и ГH). Частота осцилляций определяется разностью масс Δm = mH –mL. Bs-мезоны интересны тем, что для них характерна высокая частота осцилляций – намного меньшая, чем среднее время жизни этих частиц. Именно эту частоту с рекордной точностью измерили сотрудники эксперимента LHCb.

В измерениях, результаты которых направлены в престижный научный журнал Nature, использовался распад Bs0→Ds–π+. Заряды частиц конечного состояния однозначно определяют его аромат. Кварковый состав начального состояния определялся при помощи процедуры мечения (таггирования). Если аромат исходного Bs-мезона определить не удается, то распределение по времени жизни является довольно гладкой кривой. Если же аромат известен (обычно, с некоторой известной вероятностью), то на гладком спектре проявляются осцилляции (см. рисунок 1). Проанализировав распределение событий, экспериментаторам удалось извлечь частоту осцилляции с рекордной точностью: Δm = 17,7683 ± 0,0051стат. ± 0,0032сист. пс–1. Эта величина согласуется с предсказаниями квантовой хромодинамики, которые, к сожалению, менее точны. Полученный результат можно использовать для уточнения значений элементов матрицы кваркового смешивания – одних из фундаментальных констант Стандартной Модели.

Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb и являются полноценными соавторами работы, направленной в печать.