После образования в результате столкновения субатомные частицы спонтанно распадаются на другие частицы, следуя одному из многих возможных путей распада. Из одного миллиарда B-мезонов, обнаруженных на коллайдере, только около двадцати распадаются именно через этот процесс.С открытием бозона Хиггса, последнего недостающего элемента, СМ физики элементарных частиц теперь учитывает все известные субатомные частицы и правильно описывает их взаимодействия.
Это очень успешная теория, поскольку ее предсказания постоянно подтверждаются экспериментальными измерениями. Но ученые знают, что СМ не раскрывает всей истории, и исследователи по всему миру с нетерпением ищут доказательства того, что физика выходит за рамки СМ.
«У нас есть основания полагать, что существуют еще неоткрытые субатомные частицы, которые не являются частью СМ», — объясняет ученый из Фермилаба Рут Ван Де Уотер. «Как правило, мы ожидаем, что они будут тяжелее любых субатомных частиц, которые мы нашли до сих пор. Новые частицы будут частью новой теории, которая будет выглядеть как СМ при низких энергиях.
Кроме того, новая теория должна учитывать астрофизические наблюдения темной материи и темной энергии. Природа частиц темной материи остается полной загадкой ».
Физик из Иллинойского университета Аида Эль-Хадра добавляет: «Ученые занимаются этой проблемой с нескольких направлений. Косвенные поиски сосредоточены на виртуальных эффектах, которые предполагаемые новые тяжелые частицы могут иметь на процессы с низкой энергией. Прямые поиски направлены на производство новых тяжелых частиц. в столкновениях с высокими энергиями. Взаимодействие как косвенных, так и прямых поисков может в конечном итоге дать нам достаточно кусочков головоломки, чтобы составить новую основную теорию, которая объяснила бы все эти явления ».
Физик из Сиракузского университета Джон «Джек» Лайхо описывает, почему «распад пингвинов» обеспечивает мощное исследование новой физики: «При наблюдении за редким распадом, поскольку вклад СМ относительно невелик, существует большая вероятность того, что вклады от нового виртуального тяжелого частицы могут быть значительными. Они будут наблюдаться как отклонения от предсказаний СМ. Однако, чтобы знать, что такое отклонение (если оно наблюдается) не является просто статистическим колебанием, разница должна быть убедительной — она должна быть не менее пяти раз больше, чем экспериментальные и теоретические погрешности. Столь редкие распады требуют высокой точности как экспериментальных измерений, так и теоретических расчетов ».
B-мезоны относятся к классу субатомных частиц, которые являются связанными состояниями кварков, и они испытывают так называемые сильные взаимодействия, также известные под ярким названием квантовой хромодинамики (КХД). Кварки находятся внутри протонов и нейтронов, составляющих атомное ядро, а также внутри других субатомных частиц, таких как пионы и вышеупомянутые B-мезоны.
Новый высокоточный расчет использует решеточную КХД для расчета влияния сильного взаимодействия на рассматриваемый процесс.«Процессы распада, в которых участвуют связанные состояния кварков, получают вклад от сильных взаимодействий, которые очень трудно измерить количественно, особенно при низких энергиях», — объясняет ученый Fermilab Андреас Кронфельд. Единственный первопринципный метод расчета с контролируемыми ошибками свойств субатомных частиц, содержащих кварки, — это решеточная КХД, где громоздкие интегралы КХД приводятся в форму, позволяющую вычислять их численно ».
Проект был начат, когда исследователь Сиракузского университета Дапинг Ду работал докторантом в Иллинойсе с Эль-Хадрой.«Наши расчеты чисты», — утверждает Ду. «Мы сосредоточились на процессе, для которого методы КХД на решетке дают небольшие и полностью определяемые количественно погрешности».
«В последние годы мы стали свидетелями удивительного прогресса в расчетах решеточной КХД», — замечает Энрико Лунги, теоретик, не относящийся к решеткам, из Университета Индианы, который присоединился к команде благодаря своему опыту в феноменологии редких распадов. «Расчеты на решетке продвинулись до такой степени, что они обеспечивают ab initio предсказания эффектов сильного взаимодействия с небольшими и надежными неопределенностями. Таким образом мы можем получить предсказание SM этого процесса с большей точностью, чем это было возможно ранее».Высокоточный расчет КХД на решетке потребовал больших вычислительных ресурсов.«К счастью, для этого проекта мы смогли задействовать суперкомпьютерные ресурсы США», — комментирует физик из Университета Индианы Стивен Готтлиб. «Фактически, этот проект является частью более масштабных усилий Fermilab Lattice и MILC Collaborations по производству точных теоретических расчетов эффектов сильного взаимодействия для ряда важных процессов, имеющих отношение к прецизионным пограничным экспериментам.
Мы использовали выделенные ресурсы в Fermilab (предоставленные USQCD Collaboration), в Argonne Leadership Computing Facility, Национальном вычислительном центре энергетических исследований, Национальной лаборатории Лос-Аламоса, Национальном институте вычислительных наук, Питтсбургском суперкомпьютерном центре, Суперкомпьютерном центре Сан-Диего и Техасском центре перспективных вычислений. "После завершения нового расчета и до его публикации в Physical Review Letters [115, 152002 (2015)] в статье, озаглавленной «Форм-факторы B? Π ?? для новых исследований физики из решетчатой КХД», эксперимент LHCb в ЦЕРНе в г. Швейцария объявила о новом экспериментальном измерении дифференциальной скорости распада этого процесса распада.Ученый из Фермилаба Ран Чжоу заключает: «Недавние измерения совместимы с нашими предсказаниями СМ, с соразмерными неопределенностями теории и эксперимента. Это налагает интересные ограничения на возможные новые вклады в физику, которые очень полезны для построения моделей, выходящих за рамки физики СМ».
Группа также недавно завершила еще одну статью «Феноменология полулептонных распадов B-мезонов с форм-факторами из решеточной КХД», в которой они сделали дополнительные предсказания для связанных редких распадов, которые еще не наблюдались экспериментально. После наблюдения эти процессы распада также могут сыграть важную роль в поисках новой фундаментальной теории, лежащей за пределами СМ.
Члены Fermilab Lattice и MILC Collaborations, которые внесли свой вклад в эту работу в дополнение к упомянутым выше, включают Алексея Базавова и Янника Мериса из Университета Айовы; Клод Бернар из Вашингтонского университета, Крис Бушар из колледжа Уильяма и Мэри; Карлтон ДеТар, Людмила Левкова и Си-Вей Цю из Университета Юты; Элизабет Д. Фриланд из Школы Художественного института Чикаго; Мария Эльвира Гамиз из Университета Гранады; Урс М. Хеллер из Американского физического общества; Пол Б. Маккензи, Джеймс Н. Симон из Национальной ускорительной лаборатории Ферми; Ючжи Лю и Итан Нил из Университета Колорадо, Боулдер; Роберт Шугар из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Дуг Туссен из Университета Аризоны, Тусон; и Джон А. Бейли из Сеульского национального университета.