Колаборація LHCb повідомила про результати з вимірювання нейтральних осциляцій дивного B-мезону, тобто його періодичних перетворень на античастицю. Фізики обробили дані про розпади мезонів, зібрані під час другого сезону роботи Великого адронного колайдера, і змогли в два рази поліпшити точність визначення частоти цих осциляцій порівняно з попереднім виміром. Дослідження опубліковано в.
Статки з певною енергією відіграють велику роль у квантовій фізиці. Саме вони визначають власний спектр квантових систем, а їх опис став першим завданням, яке успішно вирішила квантова механіка. Ці стани можуть змінитися, якщо система піддається деякому обуренню. У разі якщо квантові числа вихідної системи виявляються невласними для обурення, її нові стани будуть представляти собою квантову суперпозицію старих. При цьому ймовірність отримати будь-яке значення старого квантового числа в новому базисі буде періодично залежати від часу, протягом якого діяло обурення. Цей ефект, який називають осциляціями Рабі, відіграє величезну роль в атомній і молекулярній фізиці, квантових симуляціях і багатьох інших розділах фізики.
Схожий принцип працює у фізиці елементарних частинок. Виявилося, що аромат і маса кварків і лептонів - це несумісні квантові числа. У ряді випадків це призводить до того, що стан вільної елементарної частинки може бути описано у вигляді суперпозиції станів, що відповідають іншим частинкам. Баланс цієї суперпозиції змінюється з часом за періодичним законом, що отримало назву нейтральних осциляцій.
Найвідомішим прикладом таких осциляцій можна назвати нейтринні осциляції, про які ми докладно розповідали в матеріалі «Н значить нейтрино». У цьому випадку лептон одного аромату перетворюється у вільному польоті на лептони з іншими ароматами. Кварки ж не можуть існувати у вільному стані поодинці, проте нейтральних осциляцій схильні деякі нейтральні мезони, що складаються з них, наприклад дивний B-мезон (Bs-мезон). У цьому випадку кварки перетворюються на антикварки (і навпаки), а мезон на антимезон, а частота перетворення визначається різницею мас важкого і легкого масових станів мезону. Нейтральні осциляції Bs-мезону були виявлені 15 років тому і відтоді фізики прагнуть точніше вимірювати параметри цього процесу.
Колаборація LHCb доповіла про результати обробки даних про розпади дивного B-мезону, зібраних протягом другого сезону роботи Великого адронного колайдера з 2015 по 2018 рік у процесах зіткнення протонів при енергії 13 тераелектронвольт. Аналізуючи осциляції цієї нейтральної частинки, фізики змогли отримати значення різниці мас з точністю, що дворазово перевищує попередні вимірювання.
Дивний B-мезон складається з нижнього антикварка і дивного кварка. У процесі нейтральних осциляцій він перетворюється на свою античастинку, що складається з нижнього кварку і дивного антикварку, відповідно. Один з каналів розпаду цієї частинки - це її перетворення на дивний D--мезон і позитивний піон. Якби осциляцій не було, залежність ймовірності такого перетворення від часу була б монотонною. У реальності ж вона володіє періодичною компонентою, частота якої дорівнює різниці мас важкого і легкого станів.
Детектор LHCb фіксував область навколо осі протонного пучка, обмежену полярними кутами від 10 до 250 мільйрадіан, в яку потрапляє приблизно чверть продуктів розпаду. Він включає кілька систем, які дозволяють точно вимірювати імпульси частинок і відновлювати координати розпадів частинок. Цієї інформації достатньо, щоб зрозуміти, скільки часу летів B-мезон, перш ніж розпастися.
Bs-мезони порівняно важчі більшості інших частинок, що народжуються в зіткненнях протонів. Крім того, вони встигають пролетіти істотну (в середньому сантиметр) відстань, через що їх розпади зміщені щодо точки зіткнення пучків. Фізики використовували ці критерії, щоб проводити попереднє відсіювання кандидатів у шукані події. Подальше відсіювання виключає інші канали розпаду, розпади інших частинок зі схожою топологією і події, що не проходять кінематичний фільтр. Нарешті, вчені оптимізували вибірку за допомогою численних симуляцій.
Побудовану в результаті залежність швидкості розпаду від часу дослідники апроксимували теоретичною функцією, в яку були додані модифікації, що враховують часові особливості детектора. При цьому вони використовували окремий алгоритм, що дозволяє визначити аромат продуктів розпаду і, таким чином, сказати, була це частинка або античастинка. Алгоритм давав відповідь у 80 відсотків випадків з імовірністю помилки 36 відсотків.
Підгонка дозволила визначити частоту нейтральних осциляцій, яка виявилася рівною 17,7683 0,0051 зворотних пікосекундах. Фізики додатково оцінили систематичні помилки за допомогою поділу вибірки на два набори даних з різними кінематичними характеристиками, в результаті чого додаткова невизначеність виявилася дорівнює 0,0032 зворотних пікосекунд. У сумі точність виявилася вдвічі вищою, ніж у попередньому експерименті колаборації. Комбінація нового результату з результатами попередніх експериментів з іншими розпадами дала значення 17,7656 0,0057 зворотних пікосекунд. Ця величина узгоджується з менш точним передбаченням, зробленим в рамках решіткової квантової хромодинаміки, і рівним 18,4 + 0,7/-1,2 зворотних пікосекунд.
Дивний B-мезон - це не єдиний адрон, який бере участь у нейтральних осциляціях. Раніше ми розповідали, як фізики, що працюють з детектором LHCb, виявили такі осциляції у нейтрального зачарованого D-мезону. Детальніше про роботу цієї колаборації ви можете прочитати в матеріалі «Чарівний кварк летить вперед».