Международный эксперимент Belle II реализуется на электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB в Лаборатории физики высоких энергий (KEK) в Цукубе (Япония). Его физическая задача заключается в прецизионной проверке современной теории элементарных частиц – Стандартной модели (СМ). Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) принимали участие в подготовке эксперимента, а сейчас занимаются обработкой и анализом экспериментальных данных. Одно из направлений физической программы, которой заняты новосибирские физики, – экспериментальное исследование структуры и свойств боттомония. В простейшем представлении боттомоний – это мезон, состоящий из прелестного (beauty, или b) кварка и его антикварка. Недавно полученные результаты позволяют российским ученым предполагать, что при определенных энергиях некоторые состояния боттомония могут быть не чистой парой b-кварка и b-антикварка, как считалось ранее, а содержать примеси состояний с дополнительными легкими кварками, то есть с парой легкий кварк – легкий антикварк.
Существующая теория микромира – Стандартная модель – хорошо описывает фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, но некоторые астрофизические наблюдения указывают на то, что она не полностью объясняет физическую картину мира. Целью эксперимента Belle II является исследование нарушения CP-четности, а также физики редких распадов B-мезонов и D-мезонов, которые могут дать ключ к поиску явлений, не укладывающихся в СМ.
«Стандартная модель не объясняет нам, например, почему наблюдаются именно три поколения элементарных фермионов и почему во Вселенной возникла наблюдаемая асимметрия материи и антиматерии, – прокомментировал младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Коваленко. – Кроме того, СМ содержит много свободных параметров: их значения и возможная связь между ними не объясняются самой теорией и не выводятся из более фундаментальных принципов. Поэтому в том числе на Belle II ведутся поиски проявлений Новой физики – частиц и процессов, выходящих за рамки СМ. В основном физическая программа эксперимента нацелена на изучение распадов B-мезонов – частиц, состоящих из тяжелого и легкого кварков, моя же часть работы связана с изучением боттомония. Это тоже мезон, но в простейшей картине он состоит из пары тяжелых прелестных кварков: b-кварка и b-антикварка».
Боттомоний рождается в процессе столкновения частиц, например, при аннигиляции электрона и позитрона. Сначала из чистой энергии рождается виртуальный фотон, а потом b-кварк и b-антикварк. Эти тяжелые кварки не могут разлететься как свободные частицы: сильное взаимодействие удерживает их рядом – так формируется боттомоний. Боттомоний интересен ученым в качестве объекта исследования, потому что он состоит из тяжелых кварков. «Тяжесть» и относительная «медлительность» кварков позволяют описывать такую систему более простыми теориями и делать предсказания о ее структуре и взаимодействиях кварков внутри нее.
«Когда мы говорим про боттомоний, то обычно подразумеваем состояние b-кварка и b-антикварка, – добавил Евгений Коваленко. – Но наш анализ экспериментальных данных, полученных в эксперименте Belle, касающийся адронных переходов боттомония, показывает, что в некоторых возбужденных состояниях могут быть примеси компонентов с более легкими кварками. Иными словами, боттомоний в таких состояниях может оказаться устроен сложнее, чем простая пара b-кварка и b-антикварка».
Адронный переход – это процесс, при котором одно состояние боттомония испускает один или несколько легких адронов – например, π-мезоны или η-мезон – и переходит в другое состояние боттомония с меньшей энергией. Именно при изучении таких процессов новосибирские физики получили указание на возможные примеси компонентов с легкими кварками в некоторых состояниях боттомония.
«Теория предсказывает, что переходы с испусканием пары π-мезонов должны встречаться значительно чаще, чем переходы с испусканием η-мезона, – пояснил Евгений Коваленко. – В эксперименте η-переходы действительно наблюдаются реже, но не настолько редко, как ожидалось. Их вероятность оказалась значительно выше некоторых теоретических оценок — примерно на два порядка. Это может быть важным сигналом того, что структура исследуемого состояния сложнее, чем предполагалось. На данный момент мы не можем сделать строгое заявление о структуре боттомония, но мы видим расхождение, и наличие компонентов с легкими кварками могло бы его объяснить. Чтобы проверить эту гипотезу, нужно измерять схожие адронные переходы и набрать большую статистику на Belle II. Если аномально большие вероятности будут повторяться именно для возбужденных состояний, где ожидаются такие примеси, это станет серьезным аргументом в пользу более сложной структуры боттомония».