Стандартная модель получает новые данные.
Исследовательская группа ATLAS, работающая на Большом адронном коллайдере (LHC), объявила о новом рекордно точном измерении времени жизни нейтрального B0-мезона. Этот мезон, состоящий из антикварка боттом и кварка даун, является ключевым объектом для изучения слабого взаимодействия и динамики тяжелых кварковых систем.
Мезоны B-класса, в состав которых входит один боттом-кварк, уже давно привлекают внимание ученых. Они позволяют исследовать редкие явления, предсказанные Стандартной моделью, и уточнять параметры теоретических расчетов. Одним из таких параметров является время жизни B0-мезона — средний период, в течение которого частица существует до своего распада на другие частицы. Точные измерения этого времени необходимы для углубленного изучения слабых взаимодействий, которые описывают распады тяжелых кварков.
В ходе нового анализа ученые ATLAS сфокусировались на специфическом распаде B0-мезона. Он распадается на возбужденный нейтральный каон (K0) и J/ψ-мезон. Последний, в свою очередь, распадается на пару мюонов, а K0 распадается на заряженные пион и каон. Эти сигналы были зарегистрированы и изучены в данных, собранных детектором ATLAS в ходе второго этапа работы LHC (2015–2018 годы). За этот период удалось собрать впечатляющий объем данных — 140 обратных фемтобарн, что соответствует примерно 100 триллионам протон-протонных столкновений.
Исследование показало, что время жизни B0-мезона составляет 1,5053 пикосекунды (1 пикосекунда — это триллионная доля секунды) с неопределенностью 0,0012 пс (статистическая) и 0,0035 пс (систематическая). Это значение стало самым точным из доступных на сегодняшний день, значительно превзойдя предыдущие измерения, включая ранние результаты ATLAS.
Для достижения такого уровня точности исследователи преодолели множество экспериментальных сложностей. В частности, были усовершенствованы методы минимизации систематических неопределенностей, выполнено точное моделирование данных и произведена калибровка детектора.
Помимо времени жизни, ученые измерили и так называемую ширину распада B0-мезона. Ширина распада отражает связь между временем жизни частицы и неопределенностью в энергии в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга. Согласно результатам исследования, ширина распада B0-мезона составила 0,664 обратных пикосекунды с общей погрешностью 0,004 пс⁻¹.
Также было проведено сравнение результатов с аналогичными данными для Bs0-мезона, который состоит из боттом-кварка и странного кварка. Сравнение показало, что соотношение ширины распада этих частиц близко к единице, что соответствует теоретическим предсказаниям моделей тяжелых кварков.
Эти результаты представляют собой важный вклад в понимание слабых взаимодействий в рамках Стандартной модели. Они также предоставляют ученым новые данные для уточнения теоретических расчетов и разработки будущих моделей. Подобные высокоточные измерения открывают новые перспективы для изучения свойств элементарных частиц и законов, управляющих их поведением.
Работа ATLAS демонстрирует, как использование современных технологий, обширных данных и глубокого анализа позволяет физикам продвигаться к более точному пониманию фундаментальных процессов, происходящих во Вселенной.