Новости науки 07.07.02 Тайна B-мезонов

B-мезоны -- это мезоны, состоящие из тяжелого анти-b-кварка и легкого кварка, и потому процессы рождения B-мезонных пар -- это прежде всего процессы рождения кварк-антикварковой пары b-анти-b. Казалось бы, вся интуиция физики элементарных частиц говорит о том, что такие процессы должны очень легко вычисляться в КХД и давать близкие к опыту значения. Как бы не так: вот уже несколько лет исследователям не дает покоя "b-проблема" -- оказывается, что измеренное сечение рождения B-мезонов в целом ряде реакций в несколько раз превышает теоретические предсказания, выполненные даже с учетом NLO (Next-to-Leading Order) поправок.

Что можно ожидать от B-мезонов

Давайте сразу поймем, почему это несогласие так волнует физиков. Мезоны -- это сильновзаимодействующие частицы. Поэтому, пытаясь описать свойства этих частиц, мы должны, строго говоря, принимать во внимание и разнообразные "мягкие" непертурбативные эффекты, которыми так "славится" сильное взаимодействие. По сути дела, само существование мезонов обязано одному из таких эффектов -- конфайнменту.

Беда с непертурбативными эффектами заключается в том, что теория возмущений -- практически единственный

Энергетический масштаб конфайнмента удобный и работающий метод вычислений -- к ним неприменима. В мягкой, низкоэнергетической области (то есть, когда характерные массы и энергии порядка энергетического масштаба конфайнмента Lambda_QCD ~ 0.25 ГэВ) взаимодействие между кварками и глюонами (или же, с другой точки зрения, взаимодействие между адронами) находится в режиме сильной связи, и как правильно описывать явления в этой области пока неизвестно.

Однако если мы уходим вверх по энергии, т.е. когда массы или энергии существенно превышают Lambda_QCD, вполне естественно ожидать, что всяческие непертурбативные эффекты будут сказываться все слабее и слабее на свойствах мезонов или реакций с их участием. Эти ожидания основаны на поведении константы связи сильного взаимодействия с энергией (разложение по которой и дает ряд теории возмущений): при энергиях порядка Lambda_QCD эта константа связи становится порядка единицы, а с ростом энергии она падает.

Благодаря этому можно надеяться, что если мы будем исследовать

Как это ни парадоксально, t-кварки не имеют почти никакого отношения к КХД, а больше годятся для изучения электрослабой физики. процессы с участием тяжелых кварков (m_q >> Lambda_QCD), то мягкие эффекты будут не так важны. В природе имеется три кварка, которых по праву можно назвать тяжелыми: с-, b-, и t-кварки с массами 1.5 ГэВ, 5 ГэВ и 175 ГэВ соответственно. Из этой троицы нам придется забыть про t-кварки, зато c-кварки и b-кварки (кварки -- это для теоретиков, а для экспериментаторов это D-мезоны и B-мезоны) идеально подходят для наших целей.

Что происходит на самом деле

Рис. 1. Реакция e+p -> X+B -- процесс рождения B-мезонов в глубоко-неупругом рассеянии: виртуальный фотон сталкивается с протоном, рождается масса частиц, в том числе и b-анти-b пара. Адронизуясь, они превращаются в B-мезоны, один из которых затем детектируется.

Итак, обратимся к реакции рождения тяжелых кварков,

См. популярную заметку про глубоко неупругое рассеяние. например, в глубоко-неупругом рассеянии (т.е. в столкновении виртуального фотона с протоном), см. Рис.1. Здесь для примера изображен процесс с участием b-кварка, превращающегося в ходе адронизации в анти-B-мезон, который затем детектируется.

Поскольку речь идет о высоких энергиях в фотон-протонном столкновении, то процессы такого типа можно попытаться сосчитать теоретически, если опираться на ту или иную модель Померона.

Померон -- некий объект, описывающий рассеяние адронов при высоких энергиях Такие расчеты были давно сделаны, и в случае c-кварков они вполне хорошо согласуются с экспериментальными данными. Как, разумеется, и ожидалось.

Итак, вроде бы все в порядке: наши ожидания, что процессы рождения тяжелых кварков можно надежно считать по теории возмущений, подтверждаются. Возникает даже ощущение, что проверки с b-кварками вообще не нужны: раз все так хорошо с c-кварками, то в случае еще более тяжелых b-кварков согласие теории и эксперимента просто обязано иметь место!

Рис. 2. Отношение экспериментально измеренного сечение рождения "открытой прелести" в глубоко-неупругом рассеянии к теоретически предсказанному значению.

Тем не менее, эксперименты по рождению b-кварков в глубоко-неупругом рассеянии были проведены. Взгляните на Рис.2. Здесь показано отношение экспериментально измеренного сечения e+p --> b+X к теоретически предсказанному значению, выполненному с учетом поправок следующего порядка теории возмущений. Отличие везде примерно в три раза! Даже с учетом больших экспериментальных погрешностей представляется маловероятным, что наблюдаемое расхождение -- лишь игра случая.

Открытие "на пустом месте", открытие, которого не ждешь, всегда оказывается громом среди ясного неба. Отметим, что поскольку аналогичный эффект был обнаружен и в протон-протонных столкновениях на Тэватроне, и в фотон-фотонных столкновениях на коллайдере LEP, то его уже нельзя "списать" на какую-нибудь ошибку одного отдельно взятого эксперимента. Таким образом, вся совокупность данных свидетельствует о наличие существенного "недосчета" B-мезонов в теоретических вычислениях. Итак, можно с полным правом сделать вывод: мы здесь имеем дело с каким-то непонятым пока эффектом.

В чем причина?

Теперь начинается самое интересное. В принципе, могут быть две причины, приводящие к наблюдаемой аномалии. Первая заключается в том, что мы неправильно считаем этот процесс: может быть, именно в этой реакции имеется какая-то нетривиальная, неучтенная ранее особенность. Вторая причина: с самими вычислениями все в порядке, но только Природа оказалась устроена иначе, чем мы предполагали. В соответствии с этим, все объяснения "b-проблемы" делятся на два класса: "приземленные" и "возвышенные".

Из класса приземленных объяснений главным кандидатом является подозрение, что мы неправильно описываем процесс адронизации b-кварков, см. работу [1]. Без адронизации не обойтись: ведь теория имеет дело с рождением кварков, а эксперимент -- с детектированием мезонов. Адронизация -- процесс формирования адронов из разлетающегося "облака" кварков -- связывает эти две картины. К сожалению, из первых принципов адронизацию (а точнее, так называемые функции фрагментации) не вычислишь, однако существуют вполне разумные и "проверенные жизнью" параметризации. Именно они, по-видимому, и дают сбой в случае этой реакции. Таким образом, все сводится к тому, что мы плохо понимаем функции фрагментации b-кварков.

В качестве примера диаметрально противоположного решения b-проблемы можно привести работу [2]. В ней делается вывод, скварк -- суперсимметричный партнер кварка; глюино -- суперсимметричный партнер глюона. что источником проблемы могут оказаться суперсимметричные частицы: легкий b-скварк и легкое глюино с массой около 15 ГэВ. Рождаясь в адронных реакциях, эти глюино могут распадаться на b-кварк и b-скварк, что и приводит к наблюдаемому увеличению сечения рождения b-кварков. При таком варианте событий, если он в самом деле отвечает реальности, b-проблема обернется, на самом деле, первым наблюдением суперсимметрии нашего мира, что вполне тянет на нобелевскую премию.

Так или иначе, ситуация пока не ясна. Для окончательного разрешения этой проблемы необходимо дальнейшее изучение функций адронизации и, конечно же, очень желательны новые данные по рождению B-мезонов.

В виде приложения могу порекомендовать обзор [3], отражающий состояние дел на 1997 год (на Тэватроне обнаружено превышение b-сигнала, но ожидается, что на HERA все будет в порядке) и более свежую диссертацию [4].

Ссылки:

[1] M. Cacciari, P. Nason, "Is There a Significant Excess in Bottom Hadroproduction at the Tevatron?", hep-ph/0204025.
[2] E. L. Berger, "The Puzzle of the Bottom Quark Production Cross Section", hep-ph/0201229.
[3] S. Frixione, M. L. Mangano, P. Nason, G. Ridolfi, "Heavy quark production", Adv.Ser.Direct.High Energy Phys.15, 609-706,1998; hep-ph/9702287.
[4]N. Coppola,

перейти к началу страницы