Фізики переконалися у рівності темпів розпаду W-бозонів на мюони і таони

Фізики простежили за розпадом W-бозонів на детекторі ATLAS Великого адронного колайдера і порівняли темпи, з якими в цьому процесі народжуються таони і мюони. Виявилося, що тих та інших частинок утворюється порівну в межах помилки вимірювань - це узгоджується з аксіомою Стандартної моделі про лептонну універсальність і усуває незгоду з теоретичним прогнозом, яка спостерігалася в подібному аналізі вісім років тому. Стаття опублікована в журналі.

У Стандартній моделі лептонами називаються фундаментальні частинки з напівцілим спином, які не беруть участі в сильних взаємодіях. Серед лептонів виділяють три покоління, кожне з яких складається з електрично зарядженої частинки і її нейтрального напарника - нейтрино. До першого покоління разом зі своїм типом нейтрино відноситься електрон, до другого - більш масивний мюон, до третього - ще більш важкий таон.

Згідно з нинішніми уявленнями, має місце лептонна універсальність - кожне з поколінь частинок бере участь в електрослабих взаємодіях по одному і тому ж механізму, тобто з точки зору цих процесів наступне покоління лептонів є обважненою копією попереднього.

Зручний спосіб перевірити це твердження - спостерігати за розпадами W-бозонів - електрично заряджених і масивних переносників слабкої взаємодії. Якщо постулат Стандартної моделі про лептонну універсальність справедливий, то W-бозон з майже однаковою ймовірністю (з невеликими поправками через різні маси продуктів розпаду) розпадається на кожну з трьох лептонних пар - це означає рівність темпів народження електронів, мюонів і таонів разом з їх типами нейтрино (або відповідних античастинок, залежно від заряду W-бозонів).

Для електронів і мюонів ці темпи вже порівнювали на експериментах LEP, LHCb і ATLAS - експериментальний результат збігся з прогнозами Стандартної моделі з точністю до відсотка. Однак у найбільш точному до недавнього часу експерименті за участю таонів цих частинок порівняно з мюонами зареєстрували більше, ніж очікувалося - тоді відхилення від теоретичного значення перевищило стандартну помилку вимірювань. Крім того, в недавніх роботах повідомляється про вказівки на порушення лептонної універсальності для електронів і мюонів на рівні значущості до трьох стандартних відхилень.

Фізики колаборації ATLAS за участю Андреаса Хукера (Andreas Hoecker) з ЦЕРН уточнили темпи народження мюонів і таонів у розпадах W-бозонів на однойменному детекторі Великого адронного колайдера. Для аналізу вони використовували дані протон-протонних зіткнень з енергією 13 тераелектронвольт в системі центру мас, які детектор збирав з 2015 по 2018 рік.

Як сигнальний процес виступало народження пар з t-кварка і його антикварка, які потім розпадалися на W-бозони і b-кварки. W-бозони, у свою чергу, зазнавали розпади на мюони і таони разом з відповідним типом нейтрино. Важкі таони ж, не встигнувши долетіти до детектора, також розпадалися на більш легкий мюон і нейтрино. Таким чином, детектор реєстрував сигнальні мюони двох типів: первинні - тобто народжені в розпаді W-бозона, і вторинні - народжені при розпаді таону.

Через вторинні мюони в середньому детектор вимірював менший поперечний (по відношенню до осі детектора) імпульс частинок, ніж якби серед них були тільки первинні - разом з моделюванням фонових процесів це дозволило дослідникам оцінити частоту реєстрації первинних і вторинних мюонів і, виходячи з цього, порівняти ймовірності розпаду W-бозона на друге і третє покоління лептонів.

З урахуванням систематичних і статистичних похибок аналізу, відносна швидкість виробництва таонів порівняно з мюонами склала 0,992 0,013 - в межах помилки це сходиться з передбаченням Стандартної моделі, згідно з яким ця величина повинна бути дорівнювати одиниці з точністю порядку десятитисячних.

Автори відзначають, що аналіз дозволив не тільки дозволити раніше спостерігалася невідповідність між теорією та експериментом і підтвердити лептонну універсальність для старших поколінь лептонів в даному типі розпадів, але і приблизно вдвічі поліпшити точність вимірювань порівняно з попередніми роботами.

Від редактора

У вихідній версії замітки повідомлялося, що дослідження опубліковано в. Насправді стаття вийшла в.

Раніше ми розповідали про те, як лептонну універсальність поставили під сумнів, спостерігаючи за розпадами B-мезонів, і про те, як аномалію в магнітному моменті мюона вдалося виміряти зі значимістю 4,2º.