Физики из международной коллаборации BESIII впервые за более чем 30 лет получили новое экспериментальное значение одного из ключевых параметров Стандартной модели с помощью распада лямбда-гиперонов. Исследователи задействовали квантовую запутанность между частицей и античастицей, чтобы восстановить детали редкого распада, которые прежние эксперименты не позволяли измерить достаточно полно. Полученный результат согласуется с одним из фундаментальных требований Стандартной модели и одновременно дает независимый способ проверить давнюю аномалию в физике кварков.
Работа посвящена матрице Кабиббо-Кобаяси-Маскавы, или CKM, которая описывает переходы между разными типами кварков при слабом взаимодействии. Один из элементов матрицы, Vus, характеризует переход странного кварка в верхний. Проверка Vus особенно важна, поскольку элементы первого ряда CKM-матрицы должны удовлетворять условию унитарности: сумма квадратов соответствующих величин должна равняться единице.
Самые точные значения Vus физики обычно получают по распадам каонов и тау-лептонов. Однако разные методы дают слегка расходящиеся результаты. Подобное расхождение пока недостаточно велико, чтобы говорить об открытии новой физики, но сохраняющаяся неопределенность заставляет искать независимые способы измерения того же параметра.
Коллаборация BESIII использовала для такой проверки редкий полулептонный распад лямбда-гиперона Λ → p e− ν̄e. Внутри лямбда-гиперона странный кварк превращается в верхний, после чего рождаются протон, электрон и антинейтрино. Именно вероятность и кинематика такого процесса позволяют извлечь Vus, но практически неуловимое антинейтрино долго мешало точно восстановить картину распада.
Подобные эксперименты практически остановились несколько десятилетий назад. Последнее высокоточное измерение одного из ключевых параметров распада Λ → p e− ν̄e опубликовали в 1990 году. Авторы новой работы Nature называют полученный результат первым экспериментальным определением Vus по полулептонному распаду лямбда-гиперона после перерыва более чем в 30 лет.
Новый подход стал возможен благодаря парам Λ и анти-Λ, рождающимся при распаде частицы J/ψ на Пекинском электрон-позитронном коллайдере. Квантовые состояния двух гиперонов связаны между собой, поэтому свойства одной частицы несут информацию о состоянии второй. Используя квантовую запутанность , физики смогли точнее восстановить поляризацию и кинематику распада даже при отсутствии прямого сигнала от антинейтрино.
Анализ основан на 10,087 млрд событий J/ψ, зарегистрированных детектором BESIII. После отбора команда получила 1854 ± 49 сигнальных событий для определения абсолютной вероятности распада, а более строгий набор для анализа кинематики содержал 1791 ± 47 сигнальных событий при оценочном фоне 207 ± 30 событий.
Абсолютная вероятность распада Λ → p e− ν̄e составила (8,16 ± 0,22 ± 0,15) × 10−4. Значение согласуется с мировым средним показателем (8,34 ± 0,14) × 10−4. Одновременно исследователи впервые определили для такого распада слабую электрическую связь и измерили несколько форм-факторов, описывающих внутреннюю структуру перехода.
После объединения экспериментальных результатов с современными расчетами решеточной квантовой хромодинамики команда получила значение Vus 0,2339 ± 0,0041. Результат согласуется с требованием унитарности первого ряда CKM-матрицы на уровне 1,4 стандартного отклонения. Статистической значимости для заявления о нарушении Стандартной модели нет.
В то же время значение BESIII примерно на два стандартных отклонения превышает одну из прежних оценок Vus, полученную из гиперонных данных. Исследователи поэтому не считают старые расхождения закрытыми. Новое измерение прежде всего ценно независимостью от методов, основанных на каонах и тау-лептонах.
Существенную роль сыграли и новые теоретические расчеты. При использовании форм-факторов, вычисленных методом решеточной квантовой хромодинамики, вклад соответствующей теоретической неопределенности в ошибку Vus сократился с 84,9% до 7,5%. Главным ограничением теперь стала статистика самих распадов, поэтому увеличение объема экспериментальных данных напрямую повысит точность проверки.
Авторы рассчитывают распространить метод на другие полулептонные распады барионов. Эксперимент BESIII показал, что поляризация и запутанность пары частица-античастица позволяют извлекать значительно больше информации из каждого редкого события. При дальнейшем накоплении статистики гиперонные распады могут приблизиться по точности к каонным измерениям и превратиться в полноценную независимую проверку Стандартной модели. Если несколько методов в будущем дадут устойчиво несовместимые значения CKM-параметров, расхождение станет гораздо более серьезным признаком физики за пределами нынешней теории.