Боттомоний не то, чем кажется
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 исследователям предполагать, что при определённых энергиях некоторые состояния боттомония могут быть не чистой парой b-кварка и b-антикварка, как считалось ранее, а содержать примеси состояний с дополнительными лёгкими кварками, то есть с парой лёгкий кварк — лёгкий 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-чётности, 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 тяжёлого и лёгкого кварков, моя же часть работы связана с изучением боттомония. Это тоже мезон, но в простейшей картине он состоит из пары тяжёлых прелестных кварков: b-кварка и b-антикварка».
Младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Коваленко
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 тяжёлые кварки не могут разлететься как свободные частицы: сильное взаимодействие удерживает их рядом — так формируется боттомоний. Боттомоний интересен специалистам в качестве объекта исследования, потому что он состоит из тяжёлых кварков. «Тяжесть» и относительная «медлительность» кварков позволяют описывать такую систему более простыми теориями и делать предсказания о её структуре и взаимодействиях кварков внутри неё.
«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 возбуждённых состояниях могут быть примеси компонентов с более лёгкими 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 лёгких 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 лёгкими 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 лёгкими 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 возбуждённых состояний, где ожидаются такие примеси, это станет серьёзным аргументом в пользу более сложной структуры боттомония».
Источник: ИЯФ СО РАН.