اندازه‌گیری واپاشی کمیاب یک مزون، دستاورد تجربی با ارزشی است اما تاکنون هیچ شاهدی از فیزیکی جدید فراتر از مدل استاندارد به دست نیامده است.

یکی از مهم‌ترین مأموریت‌های برخورد‌‌ دهنده‌ی هادرونی بزرگ (LHC) در سرن، جستجوی پدیده‌هایی است که با مدل استاندارد فیزیک ذرات قابل توجیه نیست. در این زمینه آخرین موردی که از آزمایش LHCb (یکی از چهار آشکارساز بزرگ در LHC) نتیجه شده، اکنون در مجله Physical Review Letters گزارش شده است که یک پیروزی تلخ و شیرین محسوب می‌شود [1]. با کمک آشکارساز  LHCb برای اولین بار شواهدی مبنی بر واپاشی بسیار نادر یک مزون خنثی به یک جفت میون مشاهده شده است. تنها در هر 300 میلیون واپاشی مزون، یکی به این طریق اتفاق می‌افتد و بنابراین آشکارسازی این واپاشی به کمک آشکارساز LHCb کار برجسته‌ای به حساب می‌آید. آهنگ این واپاشی با مقدار محاسبه شده از طریق مدل استاندارد مطابقت دارد که این با توجه به پیچیدگی‌های موجود در محاسبات یک موفقیت نظری محسوب می‌شود. اما بسیاری از متخصصان فیزیک ذرات امیدوار بودند که تطابق بین تئوری و آزمایش به خوبی پیش نرود، چرا که وجود انحراف نشان از تاثیرگذاری فیریک جدید خواهد داشت. تاکنون چنین نشانه‌ای دیده نشده است اما در آینده با بهبود دقت اندازه‌گیری‌ها، انحرافی کوچک از مدل استاندارد نیز می‌تواند قابل آشکارسازی باشد.

در شکل نمودار فایمن، واپاشی یک مزون خنثی B (B⁰_s) به یک جفت میون (μ⁺μ⁻) را نشان می‌دهد. کره سبز در سمت چپ مزون را نشان می‌دهد که یک حالت مقید از یک کوارک strange و یک کوارک antibottom است. این‌ها دو بوزون ‌w تابش کرده و در این فرآیند یک کوارک top مبادله می‌کنند. این بوزون‌ها از طریق هم‌چوشی  به نوع z تبدیل شده و در نهایت دو میون را تولید می‌کنند.

با همه موفقیت‌های مدل استاندارد فیزیک ذرات بنیادی، هم‌چنان رازهایی را  برای ما باقی گذارده است. در این مدل شش کوارک وجود دارد. سه کوارک up، charm و top که بار الکتریکی به میزان (2/3) دارند و سه کوارک دیگر down، strange و bottom که بار الکتریکی به میزان (-1/3) دارند. تا به امروز هیچ ایده‌ای وجود ندارد که چرا ما 6 کوارک داریم در حالی که تنها دو کوارک (up و down) برای ساختن پروتون و نوترون که به طور معمول اجزای سازنده مواد هستند، لازم است. معمای دیگر مسئله‌ی طعم (flavor) است. ما نمی‌دانیم که چرا جرم این 6 کوارک این گونه است. خلأیی که در اطلاعات ما وجود دارد کمی شبیه آن است که جدول تناوبی را در اختیار داشته باشیم بدون آنکه بدانیم اتم‌ها از الکترون‌ها و هسته‌ها تشکیل شده‌اند. یک روش برای پاسخ به چنین سوالاتی مطالعه برهم‌کنش ذراتی است که کوارک‌های top و bottom را دربر می‌گیرند چون جرم آن‌ها نسبتاً از جرم سایر کوارک‌ها بزرگتر است. در 15 سال گذشته متخصصان فیزیک ذرات ویژگی‌های کوارک bottom را با استفاده از واپاشی‌های مزون‌های B بررسی کرده‌اند.

هنگامی‌که در جستجوی فیزیک جدیدی هستیم، بهترین مکان برای شروع جایی است که بر طبق نظریه موجود، وقوع یک رخداد نامحتمل باشد: هر انحرافی در مقایسه با آنچه که ما انتظار داریم، بزرگ خواهد بود، به همین دلیل آزمایش LHCb و سایر آزمایش‌های قبل از آن روی جستجوی واپاشی بی‌نهایت نادر مزون B⁰_s (حالت‌های مقید یک کوارک strange و یک کوارک antibottom)  به یک جفت میون متمرکز شده‌ بودند (شکل را ببینید). مزون‌های B⁰_s از نظر الکتریکی خنثی هستند و بیش از 90٪ به یک مزون D (یک مزون شامل کوارک charm) و سایر ذرات واپاشی می‌کنند. اما مدل استاندارد پیشگویی می‌کند که کسر کوچکی از مزون‌های B⁰_s - 3.23±0.27×10⁻⁹ -به یک جفت میون واپاشی می‌کنند [2].

چرا این واپاشی بسیار نادر است؟ دلیل اول: مزون‌های B⁰_s اسپین صفر دارند اما مطابق با مدل استاندارد، در واکنش‌هایی که به واپاشی می‌انجامد، اسپین کل میون‌ها به مقدار 1 می‌رسد. برای بقای اندازه حرکت زاویه‌ای اسپینی، یک میون باید فرآیند تلنگر اسپینی (spin flip) را انجام دهد.  دلیل دوم اینکه در واپاشی مزون‌های B⁰_s یک کوارک bottom و یک کوارک strange به میون‌ها نابود می‌شوند. اما یک ویژگی خاص مدل استاندارد آن است که در آن گذارهای شامل کوارک‌های با بار یکسان -که مورد بحث اینجاست- به شدت سرکوب شده اند.

به لحاظ تجربی مشاهده چنین واپاشی نادری بسیار چالش ‌برانگیز است. با وجود آنکه مولد مزون‌های B (the B-factories) درخشندگی بسیار بالایی دارند، بر خلاف LHC، اغلب در زیر انرژی آستانه‌ی تولید مزون‌های B⁰_s اجرا می شوند. آزمایش آشکارساز برخورد دهنده در آزمایشگاه فرمی (CDF) در شتاب‌دهنده Tevatron [3] بهترین محدودیت‌ها را برای آهنگ واپاشی مزون قبل از LHC بکار برد، اما نتوانست حساسیت آن را داشته باشد. اکنون اندازه‌گیری‌های LHCb نشان می‌دهد که آهنگ کسری این واپاشی نادر [1] 3.2+1.5(−1.2)×10⁻⁹ است. این یکی از نادرترین واپاشی‌هایی است که تاکنون دیده شده است و  با مدل استاندارد با 40٪ خطا مطابقت دارد-هر چند هنوز میزان خطای بزرگی است!

عوامل سرکوب‌شدگی‌ که در بالا ذکر شد، خاص ساختار مدل استاندارد است. چون این واپاشی بسیار نادر است، حتی سهمی کوچک از فیزیک جدید می‌تواند به آسانی فیزیک مدل استاندارد را تحت‌الشعاع قرار دهد. با شروع آخرین آزمایش آشکارساز‌ LHCb امید زیادی وجود داشت مبنی بر آنکه آزمایشگران ممکن است یک ناهنجاری را در آهنگ واپاشی مشاهده کنند به گونه‌ای که به یک راه‌حل برای مسئله طعم منجر شود. به عنوان نتیجه‌ای در BBC News article  گفته شده است که اندازه‌گیری‌های این آشکارساز، ضربه مهمی به گسترده‌ترین بسط مطالعه شده‌ی مدل استاندارد، یعنی ابرتقارن، وارد می‌کند. نسخه‌های زیادی برای نظریه ابرتقارنی وجود دارد. به نظر می‌رسد که در نسخه‌ی کمینه این نظریه (نسخه‌ای با کمترین تعداد جفت‌شدگی‌ها بین ذرات) به دلیل ترکیب متفاوت عامل‌ها در مقایسه با آنچه که در محاسبات مدل استاندارد نشان داده شده، واپاشی مزون‌های B سرکوب شده است. زیرا اگرچه هیچ تلنگر اسپینی لازم نیست، برهم‌کنش ابرتقارنی مربوطه هم‌چنان سرکوب شده می‌باشد. دیگر اینکه ما از جستجوی تجربی ذرات ابر‌همزاد (superpartner particle) می‌دانیم که آن‌ها در صورت وجود باید بسیار سنگین‌تر از همتاهای مدل استاندارد خود باشند، نوعاً با جرم‌های بالای 1000GeV/c² [4]. در محاسبه‌ی ابرتقارنی، این ذرات به عنوان ذرات مجازی (سنگین) وارد می‌شوند و در نتیجه واپاشی مزون را سرکوب می‌کنند (در شکل کوارک‌های ‌up، charm، top و بوزون‌های w ذرات مجازی هستند). ترکیب این عامل‌ها منجر به پیشگویی آهنگ واپاشی مزون‌های B به یک جفت میون می‌شود که با گستره مشاهده شده در آزمایشات سازگاری دارد [5,6,7,8].

شتاب دهنده‌ی LHC به زودی برای یک ارتقاء دو ساله خاموش خواهد شد. سپس انرژی آن از 8 TeV موجود به 14 TeV افزایش می‌یابد، و درخشندگی نیز افزایش خواهد یافت. این درخشندگی اضافی منجر به تولید بیشتر مزون‌های B⁰_s خواهد شد و بنابراین می‌تواند باعث کاهش خطاهای تجربی در نتایج آشکارساز LHCb با ضریبی از مرتبه 3 در سال 2018 ‌شود [9]. این کاهش خطا ممکن است به میزان 5٪ باشد که در حال حاضر کمتر از میزان موجود در محاسبات نظری است. بنابراین از این دیدگاه می‌تواند آزمایش دقیقی برای سنجش مدل استاندارد باشد.

منبع: http://physics.aps.org/articles/v6/3

مرجع

1. R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), “First Evidence for the Decay B0s→μ+μ−,” Phys. Rev. Lett. 110, 021801 (2013).
2. A. J. Buras, J. Girrbach, D. Guadagnoli, and G. Isidori, “On the Standard Model Prediction for B(Bs,d→μ+μ−),” Eur. Phys. J. C 72, 2172 (2012).
3. A. Abulencia et al. (CDF Collaboration), “Search for B0s→μ+μ− and B0d→μ+μ− Decays in pp−− Collisions with CDF II,” Phys. Rev. Lett. 95, 221805 (2005); “Publisher’s Note: Search for B0s→μ+μ− and B0d→μ+μ− Decays in pp−− Collisions with CDF II (Phys. Rev. Lett. 95, 221805 (2005)),” 95, 249905 (2005); T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), “Search for B0s→μ+μ− and B0→μ+μ− Decays with CDF II,” 107, 191801 (2011).
4. S. Heinemeyer, “Still Waiting for Supersymmetry,” Physics 4, 98 (2011).
5. K. S. Babu and C. Kolda, “Higgs-Mediated B0→μ+μ− in Minimal Supersymmetry,” Phys. Rev. Lett. 84, 228 (2000).
6. C. Bobeth, T. Ewerth, F. Krüger, and J. Urban, “Analysis of Neutral Higgs-Boson Contributions to the Decays Bs→ℓ+ℓ− and B−−→Kℓ+ℓ−,” Phys. Rev. D 64, 074014 (2001).
7. P. Bechtle et al., “Constrained Supersymmetry After Two Years of LHC Data: A Global View with Fittino,” J. High Energy Phys. No. 06, 098 (2012).
8. O. Buchmueller et al., “The CMSSM and NUHM1 in Light of 7 TeV LHC, Bs→μ+μ− and XENON100 Data,” E. Phys. J. C 72, (2012).
9. R. Aaij et al. (LHCb Collaboration), “Implications of LHCb Measurements and Future Prospects,” arXiv:1208.3355.