مشاهده‌ي اينكه در برخي واپاشي‌هاي ذرات،‌ الكترون‌ها و ميون‌ها به يك اندازه توليد نمي‌شوند ممكن است نشانه‌اي از ضعف مدل استاندارد باشد.

تفاوت بين الكترون و ميون چيست؟ جواب بديهي جرم آنهاست: ميون 200 مرتبه سنگين‌تر از الكترون است. اما تا وقتي كه ملاك مدل استاندارد ذرات باشد، ‌الكترون و ميون كه هر دو لپتون‌اند،‌ ‌مانند هم رفتار مي كنند. به طور مشخص‌تر، روشي كه آن‌ها (و نوع سوم لپتون‌ها يعني ذره تاو) در برهمكنش با ذرات ديگر دارند،‌ چه از طريق نيروي الكترومغناطيس و چه از طريق نيروي ضعيف،‌ يكسان است.

اين عقيده معروف به جامعيت لپتون (lepton universality)،‌ به واسطه‌ي نتايج جديدي كه پژوهشگران از آزمايش LHCb در شتابدهنده‌ي بزرگ هادروني به دست آورده‌اند دارد به چالش كشيده مي شود. با اندازه‌گيري نسبت واپاشي‌هايي كه يك مزون K (كائون) و دو ميون توليد مي كردند به واپاشي ‌هايي كه حاصلشان يك مزون K و دو الكترون بود،‌ محققان ذرات توليد شده در واپاشي مزون‌هاي B را مورد بررسي قرار دادند[1]. مدل استاندارد پيش بيني مي‌كند كه اين نسبت، يعني R_K، بايد با تقريب بسيار خوبي 1 باشد. اما LHCb مقدار R_K را حدود 0/745 به دست آورد بدين معنا كه واپاشي‌ به الكترون‌ها نسبت به واپاشي به ميون‌ها ارجحيت دارد. تفاوت مقدار مشاهده شده با 1، انحراف استاندارد 2/6 دارد و كمتر از انحراف استاندارد 5 است كه فيزيك‌پيشگان ذرات قبل از ادعاي يك كشف به آن نياز دارند. با اين وجود، اگر داده‌هاي بعدي تائيد كننده‌ي مطلب باشند،‌ اين يافته بيانگر شكست (breakdown) مهمي در مدل استاندارد بوده و مدركي آشكار براي نوع جديدي از برهمكنش خواهد بود كه جامعيت لپتون را نقض مي‌كند- كشفي شگفت انگيز كه ديدگاه‌ها را متحول خواهد كرد.

R_K چطور اندازه گيري مي شود؟ پژوهشگران LHCb واپاشي‌هاي مزون B را بررسي كردند. اين مزون‌ها از جفتِ كوارك-پادكواركي ساخته شده‌اند كه يكي از آن‌ها كوارك ته (bottom) است. كوارك‌هاي ته ذاتاً ناپايدارند،‌ بنابراين مزون‌هاي B به سرعت به مزون‌هايي شامل كوارك‌هاي سبك‌تر واپاشي مي كنند. اغلب اين واپاشي‌ها از طريق فرآيندهايي اتفاق مي‌افتند كه شامل تغيير در هم طعم كوارك و هم بار الكتريكي است. اما بخش كوچكي (تقريباً يك در ده ميليون) از طريق فرآيند «جريان خنثي‌ي تغييرِ طعم» (flavor-changing neutral current) (FCNC) واپاشي مي كنند كه توليد يك مزون K (مزوني شامل كواركِ شگفت strange) و يك جفت لپتون با بارهاي مختلف مي كند- يعني الكترون و پادالكترون (پوزيترون) يا ميون و پادميون (شكل 1).

شكل1- اين دو نمودار فاينمن برهمكنش‌هايي را كه منجر به واپاشي كوارك ته به يك كوارك شگفت و يك جفت لپتون با بارهاي مخالف (الكترون و پادالكترون يا ميون و پادميون) مي شود، نشان مي دهند- يعني فرآيند «خنثي‌ي تغيير طعم» كه بر طبق مدل استاندارد مجاز اما بسيار نامحتمل است. تا زماني كه مدل استاندارد را در نظر بگيريم،‌ برهمكنش‌هايي كه جفت لپتوني توليد مي كنند براي جفت‌هاي الكترون و ميون مشابه هم هستند. اين تصور كه به جامعيت لپتون شهرت دارد به وسيله‌ي اندازه‌گيري‌ جديدي در مجموعه LHCb به چالش كشيده شده است.

نسبت R_K كه احتمال نسبي‌‌ِ (يا كسر شاخه‌ايِ branching fraction) اين دو نوع واپاشي را مقايسه مي‌كند، به ويژه، نقطه‌‌ي حساسي براي جستجوي فيزيك در ماوراي مدل استاندارد است. علت آن است كه احتمال رخداد فرآيندهاي FCNC در مدل استاندارد بسيار كم (تقريباً صفر) است، زيرا مكانيسم‌هاي بسياري موجب توقفشان مي شوند. اما لزومي ندارد كه چنين مكانيسم‌هايي در نظريه‌هاي مافوق مدل استاندارد هم عمل كنند و اين امر ديدن هر فيزيك جديدي را آسان‌تر مي كند. مطالعه‌ي فرآيند FCNC از محورهاي تحقيقاتي اصلي در فيزيك ذراتِ نظري و تجربي است.

در LHC،‌ برخوردهاي پروتون-پروتون كپي‌هاي فراواني از كوارك ته و پادكوارك‌ها توليد مي كند كه بيشتر آن‌ها تبديل به مزون B مي‌شوند. تاكنون LHCb،‌ از آزمايشات انجام شده با استفاده از پروتون‌هايي با انرژي مركز جرم 7 و 8 ترا الكترون ولت (Tev)، 260 ميليارد جفت كوارك ته-پاد كوارك جمع آوري كرده است. به علت سر و كار داشتن با انبوهي از رخداد‌ها،‌ آن‌ها توانستند بررسي خود را به ذرات حالت نهايي با پنجره‌اي از انرژي كه پس زمينه كوچكي داشته باشد محدود كنند- روشي كليدي براي اينكه عدم قطعيت اندازه‌گيري‌ها كاهش يابد. به لطف تعداد بسيار زياد كوارك‌هاي ته و پادكوارك‌ها و همجنين يك آشكار‌ساز اختصاصي كه به طور ويژه براي مطالعه‌ي واپاشي مزون B طراحي شده،‌ پژوهشگران توانسته‌اند R_K را با دقت تجربيِ بسيار بهتري نسبت به سابق اندازه بگيرند.

اگر انحراف از R_K به فيزيك جديدي اشاره دارد،‌ پس چرا اين فيزيك جديد در آزمايشات ديگر ديده نشده است؟ اول اينكه، هيچ آزمايشي چنين حجم عظيمي از داده‌ها مانند LHCb را در اختيار نداشته است. اندازه گيري‌هاي قبليِ R_K در برخوردهاي الكترون-پوزينرون [2و3] عدم قطعيت‌هاي بسيار بزرگتري داشتند و با جامعيت لپتون سازگار بودند. علت دوم آن است كه R_K استثنائاً نقطه‌ي «تميزي clean» براي جستجوي نقض جامعيت لپتون است. اثراتي كه باعث محدوديتِ دقت محاسبه‌ي جداگانه‌ي صورت و مخرج كسر يا اندازه‌گيري آن‌ها مي شوند، يك ديگر را در تقسيم حذف مي كنند[4].

با توجه به اينكه پيش‌بيني هاي مدل استاندارد قبلاً آزمون‌هاي بسيار دقيقي را پشت سر گذاشته‌اند، آيا مقدار مشاهده شده‌ي R_K را مي توان با مدل‌هاي واقعي تطبيق داد؟ پاسخ مثبت است، زيرا R_K از يك طرف خيلي تميز و از طرفي كاملا ويژه است. در حقيقت،‌ روش مقرون به صرفه براي تعميم استاندارد اين است كه به سادگي برهمكنش‌هاي جديدي كه الكترون و/ يا ميون را به كوارك‌هاي ته و شگفت مربوط مي‌كند به آن اضافه كنيم. چند نمونه از مدل‌هايي كه شامل اين نوع برهمكنش‌ها هستند مي توانند يافته‌ي LHCb را توضيح دهند. يكي از اين نمونه‌ها ميدان جديدي را پيش‌بيني مي كند كه به ميون‌ها و تاو‌ها جفت مي‌شود اما نه به الكترون‌ها [5]. مدل ديگر ذراتي فرضي را پيش بيني مي كند كه لپتوكوارك (leptoquark) ناميده مي‌شوند. اين ذرات بوزوني،‌ احتمالاً واسطه‌ي واپاشي ‌FCNC هستند اما در واپاشي‌هايي كه به ميون يا الكترون منجر مي‌شود عملكرد كاملاً متفاوتي دارند [6]. در مدل اخير، مقدار مشاهده شده‌ي R_K همراه با ساير قيدهاي تجربي، پيشنهاد مي‌دهد كه اگر لپتوكوارك‌ها وجود داشته باشند، جرمشان بايد بينTev 1 تا حدوداً Tev 48 باشد. آزمايش‌هاي فعلي مي توانند در LHC به دنبال لپتوكوارك‌هاي سبك‌تر بگردند و برخورد‌دهنده‌هاي طراحي شده كه در انرژي‌هاي بالاتر كار مي كنند به دنبال لپتوكوارك‌هاي سنگين‌تر باشند.

بَعد چه؟ يافته‌هاي گروه LHCb بايد الهام‌ بخش مطالعات نظري جديد در مورد فرآيندهاي تغيير طعم و تحقيقات آزمايشگاهي تازه در برخورد‌‌‌‌دهنده‌هاي انرژي بالا شود. هر فيزيك جديدي كه به R_K مربوط شود بايد خودش را در فرآيندهاي ديگري كه شامل FCNC هستند نشان دهد. در واقع، اگر تفاوتِ آشكار بين ميون‌ها و الكترون‌ها ناشي از برهمكنش متفاوت ذرات‌ِ-هنوز كشف نشده با ميون و الكترون باشد،‌ پس آزمايش‌ها بايد به دنبال اين ذرات باشند. در صورتي كه اندازه‌گيري‌هاي ‌LHCb با بررسي‌هاي بعدي در توافق باشد، آنگاه نشانه‌اي بسيار خاص از شكست مدل استاندارد بوده و ما را به مدل‌هاي جديد هدايت خواهد كرد. تا وقتي كه نشانه‌اي در كار است، ممكن است در حال ديدن شمه‌اي از فيزيكي نوين باشيم.

منبع

Viewpoint: A Challenge to Lepton Universality

مرجع ها

1. R. Aaij et al. ((LHCb Collaboration)), “Test of Lepton Universality Using B+→K+ℓ+ℓ− Decays,” Phys. Rev. Lett. 113,151601 (2014).

2. J.-T. Wei et al. (Belle Collaboration), “Measurement of the Differential Branching Fraction and Forward-Backward Asymmetry for B→K(*)l+l-,” Phys. Rev. Lett. 103, 171801 (2009).

3. J. P. Lees et al. (BABAR Collaboration), “Measurement of Branching Fractions and Rate Asymmetries in the Rare Decays B→K(*)l+l-,” Phys. Rev. D 86, 032012 (2012).

4. G. Hiller and F. Krüger, “More Model Independent Analysis of b→s Processes,” Phys. Rev. D 69, 074020 (2004).

5. W. Altmannshofer, S. Gori, M. Pospelov, and I. Yavin, “Dressing Lμ-Lτ in Color,” Phys. Rev. D 89, 095033 (2014).

6. G. Hiller and M. Schmaltz, “RK and Future b→sℓℓ BSM Opportunities,” Phys. Rev. D 90, 054014 (2014).