Редкие распады B-мезонов: в поисках новой физики

Автор: Денис Аветисян

Эксперименты Belle и Belle II продолжают исследовать редкие процессы распада B-мезонов, чтобы обнаружить отклонения от предсказаний Стандартной модели.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Результаты, полученные коллаборацией Belle II, позволяют переосмыслить свидетельства распада <span class="katex-eq" data-katex-display="false">B^{+}\to K^{+}\nu\bar{\nu}</span> в терминах коэффициентов эффективной теории Вильсона, с использованием 68% и 95% доверительных интервалов, и исследовать распад <span class="katex-eq" data-katex-display="false">B\to X_{s}\nu\bar{\nu}</span> посредством сопоставления данных с гистограммами, разделенными на каналы заряженных и нейтральных B-распадов, а также на компоненты, включающие электрон-позитронные пары, распадающиеся на кварки. — Результаты, полученные коллаборацией Belle II, позволяют переосмыслить свидетельства распада $B^{+}\to K^{+}\nu\bar{\nu}$ в терминах коэффициентов эффективной теории Вильсона, с использованием 68% и 95% доверительных интервалов, и исследовать распад $B\to X_{s}\nu\bar{\nu}$ посредством сопоставления данных с гистограммами, разделенными на каналы заряженных и нейтральных B-распадов, а также на компоненты, включающие электрон-позитронные пары, распадающиеся на кварки.

Представлены последние результаты поиска распадных каналов с нарушениями лептонной универсальности и появлением неуловимой энергии.

Поиск отклонений от Стандартной модели физики элементарных частиц остается одной из центральных задач современной физики высоких энергий. В работе, озаглавленной ‘Measurements of electroweak penguin and lepton-flavor violating B decays to final states with missing energy at Belle and Belle II’, представлены результаты поиска редких распадов B-мезонов, включающих нейтрино, тау-лептоны и мюоны, полученные на экспериментах Belle и Belle II. Проанализированы процессы, способные указать на новую физику за пределами Стандартной модели, включая распады с пропадающей энергией и нарушения лептонной универсальности. Позволят ли эти исследования приблизиться к пониманию фундаментальных симметрий и скрытых измерений Вселенной?

За гранью Стандартной модели: намеки от распадов B-мезонов

Несмотря на выдающиеся успехи в объяснении фундаментальных сил и частиц, Стандартная модель физики элементарных частиц не способна описать все наблюдаемые явления во Вселенной. Например, она не учитывает существование темной материи и темной энергии, составляющих большую часть массы-энергии Вселенной, а также не может объяснить наблюдаемое количество барионной асимметрии. Эти фундаментальные пробелы и несоответствия стимулируют активные поиски “Новой физики” — теорий и моделей, выходящих за рамки Стандартной модели и способных объяснить эти загадки. Исследования в области физики высоких энергий, включая анализ распадов B-мезонов, направлены на обнаружение косвенных признаков существования новых частиц и взаимодействий, которые могли бы расширить наше понимание фундаментальных законов природы и заполнить пробелы в существующей теории.

Распад B-мезонов представляет собой исключительно чувствительный инструмент для поиска отклонений от предсказаний Стандартной модели. Эти субатомные частицы, содержащие b-кварк, распадаются на другие частицы через различные каналы, и точное измерение частоты и угловых параметров этих распадов позволяет проверить фундаментальные взаимодействия. Любое расхождение между экспериментальными данными и теоретическими предсказаниями, основанными на Стандартной модели, может указывать на присутствие новых частиц или сил, выходящих за рамки существующего понимания. Высокая точность измерений, достигаемая в современных экспериментах, позволяет выявлять даже незначительные отклонения, что делает распады B-мезонов ключевым направлением в поиске «Новой физики» и углублении нашего знания о природе фундаментальных сил.

Анализ распадов B-мезонов выявил расхождения с предсказаниями Стандартной модели, особенно в процессах, таких как b→sτℓ̄. Эти отклонения не случайны; они указывают на возможность существования новых частиц или взаимодействий, которые не учтены в существующей теории. В частности, наблюдаемые частоты распада отличаются от теоретических расчетов, предполагая, что виртуальные частицы, участвующие в этих процессах, могут быть не только предсказанными Стандартной моделью, но и новыми, пока неизвестными элементарными частицами. Дальнейшие исследования этих расхождений могут стать ключом к пониманию физики за пределами Стандартной модели и открыть новые горизонты в изучении фундаментальных законов природы. $b \rightarrow s \tau \ell \overline{\ell}$

Анализ распада <span class="katex-eq" data-katex-display="false">ar{b} oar{s} au^{-}e^{+}</span> по каналам <span class="katex-eq" data-katex-display="false">K_{S}^{0}K_{S}^{0}</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">K^{\*0}</span> позволяет определить массу отдачи, используя объединенные данные экспериментов Belle и Belle II. — Анализ распада $ar{b} oar{s} au^{-}e^{+}$ по каналам $K_{S}^{0}K_{S}^{0}$ и $K^{\*0}$ позволяет определить массу отдачи, используя объединенные данные экспериментов Belle и Belle II.

Детали распада: методы прецизионных измерений

Эксперименты Belle и Belle II являются лидирующими в изучении распадов B-мезонов, используя высокую светимость и передовые детекторы. Эксперимент Belle накопил интегрированную светимость в 711 fb⁻¹, а эксперимент Belle II на данный момент достиг 365 fb⁻¹ (Run 1) + 125 fb⁻¹ (Run 2). Высокая светимость позволяет получать статистически значимые результаты, необходимые для точного измерения параметров распадов B-мезонов и проверки Стандартной Модели физики элементарных частиц. Использование усовершенствованных детекторов обеспечивает идентификацию продуктов распада и реконструкцию событий с высокой точностью.

Восстановление распада B-мезонов требует идентификации всех дочерних частиц, что представляет значительную сложность из-за наличия частиц, уносящих скрытую энергию, таких как нейтрино. Поскольку нейтрино слабо взаимодействуют с детекторным материалом, их непосредственное обнаружение невозможно. Вместо этого, присутствие нейтрино выводится из несбалансированности импульса и энергии в системе распада. Точное определение характеристик распада, включая энергию и импульс дочерних частиц, необходимо для реконструкции кинематики и проверки предсказаний Стандартной модели. Для повышения точности реконструкции используются сложные алгоритмы, учитывающие неточности измерения и возможность нескольких решений.

Методы BB-маркировки, включающие инклюзивную и адронную маркировку, являются критически важными для полной реконструкции событий распада B-мезонов и повышения эффективности выделения сигналов. Инклюзивная маркировка основана на детектировании одного или нескольких адронов, связанных с другим B-мезоном в процессе распада, в то время как адронная маркировка требует полной реконструкции адронных продуктов распада второго B-мезона. Комбинирование этих техник позволяет определить кинематические характеристики обоих B-мезонов, что необходимо для точного измерения параметров распада и подавления фоновых процессов. Эффективность BB-маркировки напрямую влияет на статистическую значимость наблюдаемых сигналов и точность проводимых измерений.

Для повышения селективности при выделении интересующих каналов распада, таких как $B^0 \rightarrow K^{*0} \tau \tau \overline{\tau}$ и $B \rightarrow X_s \nu \nu \overline{\nu}$ , активно используются алгоритмы машинного обучения, в частности, деревья решений с усилением (Boosted Decision Trees). Эти алгоритмы позволяют эффективно классифицировать события, разделяя сигнальные события от фоновых, путём обучения на наборе признаков, характеризующих кинематические свойства и топологию распада. Применение методов машинного обучения позволяет существенно снизить статистическую погрешность измерений и улучшить точность определения параметров распада.

Распределения BDT для четырех категорий сигналов, включающих фоновые процессы <span class="katex-eq" data-katex-display="false">B\\bar{B}</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">q\\bar{q}\;(q=u,d,s,c)</span>, сигнал <span class="katex-eq" data-katex-display="false">B^{0}\\to K^{0}\\tau^{+}\\tau^{-}</span> и эталонный сигнал при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\\mathcal{B}=10^{-2}</span>, демонстрируют различительные признаки для выделения искомого сигнала (данные из [7]). — Распределения BDT для четырех категорий сигналов, включающих фоновые процессы $B\\bar{B}$ и $q\\bar{q}\;(q=u,d,s,c)$ , сигнал $B^{0}\\to K^{0}\\tau^{+}\\tau^{-}$ и эталонный сигнал при $\\mathcal{B}=10^{-2}$ , демонстрируют различительные признаки для выделения искомого сигнала (данные из [7]).

Теоретические рамки: эффективная теория и точные вычисления

Слабая эффективная теория (СЭТ) представляет собой мощный аналитический инструмент для описания низкоэнергетических проявлений физики за пределами Стандартной модели. Вместо непосредственного моделирования высокоэнергетических процессов, СЭТ оперирует с эффективной лагранжиановой функцией, включающей все возможные операторы, совместимые с симметриями Стандартной модели. Вклад новой физики параметризуется через коэффициенты Вильсона, которые характеризуют силу новых взаимодействий на низких энергиях. Это позволяет систематически изучать эффекты новой физики, не прибегая к полному описанию высокоэнергетической теории, и проводить точные предсказания для наблюдаемых величин в низкоэнергетических экспериментах, таких как распад $B$ -мезонов или измерения электрических дипольных моментов.

Подход, основанный на использовании коэффициентов Вильсона, позволяет параметризовать влияние новой физики, выходящей за рамки Стандартной модели. Эти коэффициенты количественно оценивают силу новых взаимодействий, возникающих при низких энергиях как эффект высокоэнергетических процессов. Фактически, коэффициенты Вильсона представляют собой отклонения от предсказаний Стандартной модели в эффективной теории поля, позволяя связать наблюдаемые величины с параметрами, характеризующими новую физику. $C_i$ обозначают эти коэффициенты, где $i$ соответствует конкретному оператору, добавляемому в лагранжиан эффективной теории. Их значения определяются из экспериментальных данных и позволяют проводить систематический анализ возможных отклонений от Стандартной модели.

Метод перевзвешивания гистограмм (Histogram Reweighting) является ключевым инструментом для повторной интерпретации экспериментальных данных при изменении теоретических предположений. Данная техника позволяет эффективно оценивать влияние различных теоретических моделей на наблюдаемые результаты, не требуя повторного проведения экспериментов. Суть метода заключается в корректировке весов событий в исходной гистограмме, полученной из моделирования или эксперимента, таким образом, чтобы она соответствовала новым теоретическим параметрам или моделям. Это достигается путем вычисления отношения вероятностей события в новой и исходной моделях, что позволяет пересчитать статистические показатели и получить точные оценки при различных теоретических сценариях. Точность метода напрямую зависит от качества исходных данных и корректности математического аппарата, используемого для вычисления весов.

Сочетание прецизионных расчетов скоростей распада и экспериментальных измерений позволяет проводить строгие проверки Стандартной модели и поиск отклонений, указывающих на новую физику. В частности, анализ распада $B \rightarrow X_s \nu \nu$ привел к получению наиболее жесткого ограничения на величину ветвящейся функции на уровне 90% доверительной вероятности, что является значительным шагом в поиске отклонений от предсказаний Стандартной модели и ограничении параметров различных расширений этой модели.

Последствия и перспективы: прокладывая путь к открытиям

Исследования распада B-мезонов, особенно те, что чувствительны к нарушению лептонной универсальности и аномалии в R(D(*)), представляют собой перспективный путь к обнаружению признаков Новой Физики. Эти распады, происходящие с участием b-кварка и различных комбинаций легких частиц, предоставляют уникальную возможность проверить Стандартную Модель. Отклонения от предсказаний Стандартной модели в частотах или угловом распределении этих распадов могут указывать на существование новых частиц или сил, выходящих за рамки существующей теории. В частности, нарушение лептонной универсальности, когда разные поколения лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) ведут себя по-разному в распадах, является сильным индикатором присутствия новых сил или частиц, взаимодействующих с лептонами и кварками.

Предстоящие модернизации экспериментов, таких как Belle II, направлены на существенное увеличение объёма собираемых данных, что позволит значительно повысить чувствительность к слабым сигналам, указывающим на новые физические явления. Увеличение статистики позволит исследователям более точно измерять параметры распада B-мезонов и выявлять отклонения от предсказаний Стандартной модели. Ожидается, что благодаря этим улучшениям станет возможным обнаружение крайне редких процессов, которые ранее оставались за пределами возможностей экспериментальной проверки, открывая новые горизонты в изучении фундаментальных законов природы и, возможно, подтверждая существование частиц и взаимодействий, выходящих за рамки современной физики элементарных частиц.

Современные эксперименты Belle и LHCb достигли беспрецедентной чувствительности, порядка 10⁻⁵, что позволяет им исследовать области так называемого «пространства параметров», ранее остававшиеся недоступными для изучения. Это означает, что учёные теперь способны обнаруживать крайне редкие процессы и отклонения от предсказаний Стандартной модели, которые могли бы указывать на существование новых частиц и взаимодействий. Такая высокая точность измерений открывает возможность поиска эффектов, предсказанных различными теориями, выходящими за рамки существующего понимания фундаментальных законов физики, и значительно расширяет горизонты поиска Новой физики за пределами Стандартной модели.

Более глубокое понимание обнаруженных аномалий в распадах B-мезонов способно коренным образом изменить современные представления о физике элементарных частиц, открывая принципиально новые направления исследований. Эти отклонения от предсказаний Стандартной модели могут указывать на существование новых частиц и взаимодействий, лежащих за пределами текущего понимания. Исследование этих явлений не просто уточняет параметры известных процессов, а потенциально приводит к пересмотру фундаментальных принципов, определяющих структуру материи и сил, действующих во Вселенной. Успешное объяснение аномалий может потребовать разработки совершенно новых теоретических моделей и экспериментальных стратегий, что, в свою очередь, стимулирует развитие как теоретической, так и экспериментальной физики элементарных частиц на десятилетия вперед.

Представленные результаты экспериментов Belle и Belle II, направленные на поиск отклонений от Стандартной модели в распадах B-мезонов, демонстрируют сложность интерпретации данных. Учёные стремятся выявить редкие распады, включающие неутрино, тау-лептоны и мюоны, и разработать методы для переосмысления полученных результатов. Как отмечала Ханна Арендт: «Политика возникает там, где люди живут вместе, и она всегда связана с плюральностью». Аналогично, в физике высоких энергий, истина проявляется не в одной модели, а в последовательности проверок, ошибок и сомнений, учитывающих множественность возможных интерпретаций данных и необходимость постоянной переоценки существующих теорий. Работа с распадами B-мезонов, особенно с учётом недостающей энергии, требует критического подхода к выбору параметров и методов анализа, ведь данные сами по себе не являются абсолютной правдой, а лишь выборкой из бесконечного множества возможностей.

Что дальше?

Представленные результаты, безусловно, расширяют границы известного, но не предлагают окончательных ответов. Поиск отклонений от Стандартной модели в распадах B-мезонов, особенно в процессах с недостающей энергией, напоминает попытку собрать мозаику, имея лишь небольшое количество фрагментов. Уверенность в отсутствии новых физических явлений столь же иллюзорна, как и уверенность в их неминуемом обнаружении. Необходимо признать, что значительная часть усилий направлена не на поиск сигнала, а на более точное определение фона — анализ ошибок в данных, если угодно.

Будущие эксперименты, безусловно, потребуют не только увеличения статистики, но и разработки более совершенных методов подавления фоновых процессов. Важным направлением представляется усовершенствование методов адронной маркировки и более точное моделирование процессов, имитирующих сигналы нарушения лептонной универсальности. Однако, истинная мудрость заключается в понимании размера собственной погрешности, а не в слепом следовании статистической значимости.

В конечном счете, поиск новой физики — это не спринт, а марафон. И, возможно, главная награда заключается не в обнаружении нового явления, а в осознании того, насколько мало известно о фундаментальных законах природы. Продолжение этих исследований — не столько надежда на прорыв, сколько признание необходимости постоянного пересмотра существующих представлений.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.11279.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-19 22:46