Редкий распад мезона: охота на нейтрино экспресс

Оригинал: "Study of $$B^+ \to \mu^+ u_\mu$$ decays at Belle and Belle II"
· Belle, Belle II Collaborations, :, M. Abumusabh, I. Adachi, K. Adamczyk, A. Aggarwal, L. Aggarwal, H. Ahmed, Y. Ahn, H. Aihara, N. Akopov, S. Alghamdi, M. Alhakami, A. Aloisio, N. Althubiti, K. Amos, N. Anh Ky, C. Antonioli, D. M. Asner, H. Atmacan, T. Aushev, R. Ayad, V. Babu, H. Bae, N. K. Baghel, S. Bahinipati, P. Bambade, Sw. Banerjee, M. Barrett, M. Bartl, J. Baudot, A. Beaubien, F. Becherer, J. Becker, J. V. Bennett, F. U. Bernlochner, V. Bertacchi, M. Bertemes, E. Bertholet, M. Bessner, S. Bettarini, F. Bianchi, T. Bilka, D. Biswas, A. Bobrov, D. Bodrov, A. Bondar, G. Bonvicini, J. Borah, A. Boschetti, A. Bozek, M. Bračko, P. Branchini, R. A. Briere, T. E. Browder, A. Budano, S. Bussino, Q. Campagna, M. Campajola, L. Cao, G. Casarosa, C. Cecchi, P. Chang, P. Cheema, L. Chen, B. G. Cheon, C. Cheshta, H. Chetri, K. Chilikin, K. Chirapatpimol, H. -E. Cho, K. Cho, S. -J. Cho, S. -K. Choi, S. Choudhury, S. Chutia, J. Cochran, J. A. Colorado-Caicedo, I. Consigny, L. Corona, J. X. Cui, E. De La Cruz-Burelo, S. A. De La Motte, G. de Marino, G. De Nardo, G. De Pietro, R. de Sangro, M. Destefanis, S. Dey, R. Dhayal, A. Di Canto, J. Dingfelder, Z. Doležal, I. Domínguez Jiménez, T. V. Dong, X. Dong, M. Dorigo, G. Dujany, P. Ecker, D. Epifanov, J. Eppelt, R. Farkas, P. Feichtinger, T. Ferber, T. Fillinger, C. Finck, G. Finocchiaro, F. Forti, A. Frey, B. G. Fulsom, A. Gabrielli, E. Ganiev, M. Garcia-Hernandez, R. Garg, L. Gärtner, G. Gaudino, V. Gaur, V. Gautam, A. Gaz, A. Gellrich, G. Ghevondyan, R. Giordano, A. Giri, P. Gironella Gironell, A. Glazov, B. Gobbo, R. Godang, O. Gogota, P. Goldenzweig, W. Gradl, E. Graziani, D. Greenwald, K. Gudkova, I. Haide, Y. Han, H. Hayashii, S. Hazra, C. Hearty, M. T. Hedges, A. Heidelbach, G. Heine, I. Heredia de la Cruz, T. Higuchi, M. Hoek, M. Hohmann, R. Hoppe, P. Horak, X. T. Hou, C. -L. Hsu, A. Huang, T. Humair, T. Iijima, K. Inami, G. Inguglia, N. Ipsita, A. Ishikawa, R. Itoh, M. Iwasaki, P. Jackson, D. Jacobi, W. W. Jacobs, E. -J. Jang, Q. P. Ji, S. Jia, Y. Jin, A. Johnson, J. Kandra, K. H. Kang, S. Kang, G. Karyan, F. Keil, C. Ketter, M. Khan, C. Kiesling, D. Y. Kim, H. Kim, J. -Y. Kim, K. -H. Kim, H. Kindo, K. Kinoshita, P. Kodyš, T. Koga, S. Kohani, A. Korobov, S. Korpar, E. Kovalenko, R. Kowalewski, P. Križan, P. Krokovny, T. Kuhr, D. Kumar, J. Kumar, R. Kumar, K. Kumara, T. Kunigo, A. Kuzmin, Y. -J. Kwon, S. Lacaprara, T. Lam, L. Lanceri, J. S. Lange, T. S. Lau, M. Laurenza, R. Leboucher, F. R. Le Diberder, H. Lee, M. J. Lee, C. Lemettais, P. Leo, P. M. Lewis, C. Li, H. -J. Li, L. K. Li, Q. M. Li, W. Z. Li, Y. Li, Y. P. Liao, J. Libby, J. Lin, S. Lin, V. Lisovskyi, M. H. Liu, Q. Y. Liu, Z. Q. Liu, D. Liventsev, S. Longo, A. Lozar, T. Lueck, C. Lyu, J. L. Ma, Y. Ma, M. Maggiora, S. P. Maharana, R. Maiti, G. Mancinelli, R. Manfredi, E. Manoni, M. Mantovano, D. Marcantonio, M. Marfoli, C. Marinas, C. Martellini, A. Martens, T. Martinov, L. Massaccesi, M. Masuda, D. Matvienko, S. K. Maurya, M. Maushart, J. A. McKenna, Z. Mediankin Gruberová, R. Mehta, F. Meier, D. Meleshko, M. Merola, C. Miller, M. Mirra, K. Miyabayashi, H. Miyake, R. Mizuk, G. B. Mohanty, S. Moneta, H. -G. Moser, R. Mussa, I. Nakamura, M. Nakao, Y. Nakazawa, M. Naruki, Z. Natkaniec, A. Natochii, M. Nayak, M. Neu, M. Niiyama, S. Nishida, R. Nomaru, A. Novosel, S. Ogawa, R. Okubo, H. Ono, F. Otani, P. Pakhlov, G. Pakhlova, A. Panta, S. Pardi, K. Parham, J. Park, K. Park, S. -H. Park, A. Passeri, S. Patra, S. Paul, T. K. Pedlar, R. Pestotnik, M. Piccolo, L. E. Piilonen, P. L. M. Podesta-Lerma, T. Podobnik, C. Praz, S. Prell, M. T. Prim, S. Privalov, I. Prudiiev, H. Purwar, P. Rados, S. Raiz, K. Ravindran, J. U. Rehman, M. Reif, S. Reiter, L. Reuter, D. Ricalde Herrmann, I. Ripp-Baudot, G. Rizzo, S. H. Robertson, J. M. Roney, A. Rostomyan, N. Rout, S. Saha, L. Salutari, D. A. Sanders, S. Sandilya, L. Santelj, C. Santos, V. Savinov, B. Scavino, C. Schmitt, S. Schneider, G. Schnell, K. Schoenning, C. Schwanda, A. J. Schwartz, Y. Seino, K. Senyo, J. Serrano, M. E. Sevior, C. Sfienti, W. Shan, G. Sharma, X. D. Shi, T. Shillington, T. Shimasaki, J. -G. Shiu, D. Shtol, B. Shwartz, A. Sibidanov, F. Simon, J. Skorupa, R. J. Sobie, M. Sobotzik, A. Soffer, E. Solovieva, S. Spataro, K. Špenko, B. Spruck, M. Starič, P. Stavroulakis, S. Stefkova, R. Stroili, M. Sumihama, N. Suwonjandee, M. Takahashi, M. Takizawa, U. Tamponi, K. Tanida, F. Tenchini, F. Testa, A. Thaller, T. Tien Manh, O. Tittel, R. Tiwary, E. Torassa, K. Trabelsi, F. F. Trantou, I. Tsaklidis, I. Ueda, K. Unger, Y. Unno, K. Uno, S. Uno, P. Urquijo, Y. Ushiroda, S. E. Vahsen, R. van Tonder, K. E. Varvell, M. Veronesi, V. S. Vismaya, L. Vitale, V. Vobbilisetti, R. Volpe, M. Wakai, S. Wallner, M. -Z. Wang, A. Warburton, M. Watanabe, S. Watanuki, C. Wessel, E. Won, X. P. Xu, B. D. Yabsley, W. Yan, W. Yan, J. Yelton, K. Yi, J. H. Yin, K. Yoshihara, J. Yuan, L. Zani, F. Zeng, M. Zeyrek, B. Zhang, V. Zhilich, J. S. Zhou, Q. D. Zhou, L. Zhu, R. Žlebčík
arXiv:2602.09800 · 2026-02-10 · CC BY 4.0 · 1 мин
Физики измерили, как B-мезон превращается в мюон и нейтрино, и поставили новые ограничения на неуловимые частицы.

📄 Показана версия «Просто» — «Подробно» пока не готова. Добавьте ★ в избранное, если хотите её ускорить.

Внутри ускорителя частицы сталкиваются, и на короткий миг рождается B-мезон — тяжёлая частица, живущая меньше миллиардной доли секунды. Обычно она распадается на множество осколков, но иногда превращается всего в две частицы: мюон и нейтрино. Этот редкий путь похож на лотерею, где выигрышный билет выпадает один раз на два миллиона тиражей.

Физики на установках Belle и Belle II собирали данные много лет, чтобы поймать такие события. Они искали мюоны, вылетающие из точки столкновения, и по их энергии вычисляли, сколько энергии унесло невидимое нейтрино. Оказалось, что вероятность распада составляет (4.4 ± 1.9 ± 1.0) × 10⁻⁷ — это означает, что из десяти миллионов B-мезонов лишь около четырёх распадаются таким образом. Точность пока невелика, но это самый строгий результат на сегодня.

Нейтрино почти не взаимодействует с веществом: чтобы остановить его, нужна свинцовая плита толщиной в световой год.

Полученное число накладывает ограничения на теории, где существуют дополнительные типы бозонов Хиггса — частиц, отвечающих за массу. Кроме того, учёные искали стерильные нейтрино — гипотетические частицы, которые вообще не участвуют в слабом взаимодействии. Такие частицы могли бы уносить энергию, меняя картину распада. Сигнала не нашли, но установили новые пределы на их свойства: если стерильные нейтрино с массой до 1,5 ГэВ существуют, то смешиваются с обычными нейтрино крайне слабо.

Исследование также уточнило другой распад B-мезона, где вместо мюона рождается электрон или мюон вместе с другими частицами. Там вероятность выше — около 2,7 × 10⁻⁴, и измерение согласуется с предсказаниями Стандартной модели. Всё вместе напоминает просеивание песка в поисках золотых крупинок: большинство событий — обычный фон, но редкие всплески рассказывают о глубинных законах микромира.

Оригинальная аннотация

как её написали авторы, на английском arXiv:2602.09800

We report a measurement of the branching fraction for the leptonic decay $$B^+\to\mu^+ u_\mu$$. This work presents the first $$B^+\to\mu^+ u_\mu$$ result using Belle~II data, an updated Belle measurement that supersedes the previous result, and their combination, which yields the most precise search to date. The analysis is based on $$1076\,\mathrm{fb}^{-1}$$ of $$e^+e^-$$ collision data collected at a center-of-mass energy of $$10.58\,\mathrm{GeV}$$ with the Belle and Belle~II detectors at the KEKB and SuperKEKB colliders, respectively. We measure $$\mathcal{B}(B^+\to\mu^+ u_\mu)=(4.4\pm1.9\pm 1.0)\times10^{-7}$$, where the first uncertainty is statistical and the second systematic. The observed significance relative to the background-only hypothesis is 2.4 standard deviations. We set a 90\% confidence level upper limit of $$\mathcal{B}(B^+\to\mu^+ u_\mu)<6.7\times10^{-7}$$ using a frequentist approach and a 90\% credibility level upper limit of $$\mathcal{B}(B^+\to\mu^+ u_\mu)<7.2\times 10^{-7}$$ using a Bayesian approach. These are the most stringent limits to date. The result is interpreted as an exclusion region in the parameter space of type~II and type~III two-Higgs-doublet models. We search for stable sterile neutrinos with masses $$m_N\in[0,1.5]\,\mathrm{GeV}$$. No signal is observed, and the resulting exclusion on the squared mixing parameter $$|U_{\mu N}|^2$$ provides improvement over previous limits. We report a measurement of the partial branching fraction of semileptonic $$B\to X_u\ell u_\ell$$ decays with $$p_\mu^B>2.2\,\mathrm{GeV}$$, obtaining $$\Delta\mathcal{B}(B\to X_u\ell u_\ell)=(2.72\pm0.05\pm0.29)\times10^{-4}$$. We present a model-dependent study of weak annihilation decays using the muon momentum spectrum. We observe a signal of 2.4 standard deviations above the background-only hypothesis in regions where the distribution resembles that of $$B\to X_u\ell u_\ell$$ decays.

Вероятность распада B-мезона на мюон и нейтрино примерно равна шансу выиграть в лотерею, купив один билет из двух миллионов.

Поиск стерильных нейтрино напоминает сюжет о частицах из параллельного мира, которые лишь изредка проявляются в нашем.

\mathcal{B}(B^+\to\mu^+\nu_\mu) = (4.4 \pm 1.9 \pm 1.0) \times 10^{-7}
Вероятность распада положительного B-мезона на положительный мюон и мюонное нейтрино. Первая погрешность — статистическая, вторая — систематическая.
Учёные
Emmy NoetherSatyendra Nath BoseAlbert EinsteinWolfgang PauliEnrico FermiPaul Dirac
Понятия
BESIII вероятность ветвления безнейтринный двойной бета-распад