Наука и образование

Обнаружено указание на нарушение CP-инвариантности в конкретном распаде очарованного адрона

Новое измерение эксперимента LHCb, проводящегося на Большом адронном коллайдере (БАК), проливает свет на вопрос об обнаружении нарушения CP-инвариантности в распадах очарованных D⁰-мезонов. В марте 2019 года LHCb удалось установить наличие эффекта, но оставалось не ясным, с каким конкретным каналом распада он связан: D⁰→K^–K⁺ или D⁰→π^–π⁺.

На сегодняшний день достоверно установлено нарушение CP-инвариантности в распадах частиц, проходящих под действием слабого взаимодействия. Это означает что процессы, протекающие под действием этих сил, неинвариантны относительно связки: операция зеркального отражения (P) и операция замены «частицы» ↔ «античастицы» (операция зарядового сопряжения, С). В Стандартной Модели физики элементарных частиц (СМ) это объясняется наличием неустранимой комплексной фазы в 3×3 матрице кваркового смешивания (матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, ККМ-матрица).

Экспериментально сложнее всего было выявить эффекты CP-нарушения для процессов, в которых происходит превращение тяжелого очарованного (c) кварка. Из-за иерархии элементов ККМ-матрицы, отличия распадов частиц от распадов античастиц, содержащих в своем составе очарованные кварки и антикварки, минимальны. Для обнаружения этих эффектов понадобилось набрать большую статистику распадов очарованных мезонов. В 2019 году эксперимент LHCb объявил об обнаружении нарушения CP-инвариантности в распадах очарованных частиц. Подробнее об этом открытии можно прочитать в заметке на сайте нашего Института.

Следует отметить, что в 2019 году физикам удалось лишь установить наличие эффекта, но не конкретный его источник. Тогда одновременно исследовались два канала распада: D⁰→K^–K⁺ или D⁰→π^–π⁺. В каждом из них мог проявляться эффект CP-нарушения, выражающийся в том, что вероятности распадов D⁰ мезонов и анти D⁰ мезонов отличаются. Напомним, что экспериментально измеряется асимметрия числа распадов (N):

A(f^–f⁺) = [N(D⁰→f^–f⁺) – N(D⁰→f^–f⁺)] / [N(D⁰→f^–f⁺) + N(D⁰→f^–f⁺)],

которая связана с искомой CP-асимметрией (A_CP) соотношением

A(f^–f⁺) = A_CP(f^–f⁺) + A_P + A_D.

Для того чтобы выделить эффект СР-нарушения, нужно устранить влияние двух эффектов:

• асимметрии рождения D⁰- и D⁰-мезонов (A_P), возникающей из-за того, что в протон-протонных взаимодействиях сечения рождения частиц и античастиц немного отличаются;
• асимметрии, связанной с детектированием продуктов распада (A_D). Она возникает из-за того, что аромат изначально родившегося электрически нейтрального мезона устанавливается по заряду пиона в распадах типа D^*+ →D⁰π⁺, а эффективности регистрации для π⁺ и π^– различны.

Тогда, в 2019, измерялась разница асимметрий для D⁰→K^–K⁺ или D⁰→π^–π⁺ каналов. При этом ΔA_CP = A_CP(KK) – A_CP(ππ) = A(KK) – A(ππ), так как A_P и A_D не зависят от типа распада нейтрального мезона. Было установлено, что ΔA_CP отлична от нулевого значения на уровне, превышающем пять стандартных отклонений, что свидетельствует о нарушении CP-симметрии в распадах очарованных мезонов. Следует отметить, что эффект, обнаруженный в 2019-м, проходит по верхней границе СМ, – объяснить столь большую величину ΔA_CP можно лишь с привлечением эффектов перерассеяния в конечном состоянии. Для того, чтобы понять источник обнаруженного эффекта, нужно отдельно, с хорошей точностью измерить A_CP(KK) или A_CP(ππ).

В новом исследовании, представленном LHCb на Международной конференции ICHEP-2022, физикам удалось измерить A_CP(KK). Примечательно, что этот результат удалось получить, практически не опираясь на Монте-Карло моделирование, а использовав экспериментально полученные асимметрии. Причем удалось это сделать двумя способами! Соответствующие формулы приведены ниже. В них различными цветами показано как сокращаются асимметрии, соответствующие различным частицам.

A_CP(D⁰→K^–K⁺) = A(D^*+→(D⁰→K^–K⁺)π⁺) – A(D^*+→(D⁰→K^–π⁺)π⁺)+ A(D⁺→K^–π⁺π⁺) – [A(D⁺ → K⁰π⁺) – A(K⁰)],

A_CP(D⁰→K^–K⁺) = A(D^*+→(D⁰→K^–K⁺)π⁺) – A(D^*+→(D⁰→K^–π⁺)π⁺) + A(D_s⁺ →φπ⁺) – [A(D_s⁺ → K⁰K⁺) – A(K⁰)].

Для того чтобы этот метод сработал, необходимо сделать так, чтобы совпадали кинематические характеристики частиц, с которыми связана та или иная асимметрия. Это обеспечивается итеративным подбором весов для событий «корректирующих» распадов. В результате было получено, что

A_CP(KK) = (6.8 ± 5.4_стат. ± 2.0_сист.) × 10^–4.

Это наиболее точное значение на сегодняшний день. На рисунке 1 показаны результаты измерений A_CP(KK) различными экспериментами.

Используя измерения 2019-го года (ΔA_CP^exp = [–15.4 ± 2.9] × 10^–4), исследователям удалось получить величину A_CP(ππ).

В теории, величины A_CP(KK) или A_CP(ππ) являются суммой двух компонент. Первая, обозначаемая а^d, связана с прямым CP-нарушением, то есть отличной от нуля асимметрией амплитуд распадов, а вторая соответствует CP-нарушению при смешивании D⁰- и D⁰-мезонов, когда вероятность переходов D⁰ → D⁰ не равна вероятности превращений D⁰ → D⁰. Вторая компонента не велика и может быть сокращена с достаточно хорошей точностью. В результате были получены асимметрии, связанные с прямым CP-нарушением:

a^d_KK = (7.7 ± 5.7) × 10^–4 и  a^d_ππ = (23.2 ± 6.1) × 10^–4.

Коэффициент корреляции между ними составил 0.88. Соответствующие контуры вероятности приведены на рисунке 2. Величина наблюдаемой a^d_ππ отлична от нуля на уровне 3.8 стандартного отклонения, что позволяет говорить об указании на прямое нарушение CP-инвариантности в распадах D⁰→π^–π⁺. Особенно следует отметить, что в погрешностях для a^d_KK и a^d_ππ доминирует статистическая составляющая, которая может уменьшаться с увеличением набранной статистики. 

Подробнее с результатами можно узнать из заметки, размещенной на сайте эксперимента LHCb, а также из слайдов презентации на ICHEP-2022. Соответствующая научная статья сейчас готовится к публикации.

В заключении, следует отметить, что сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» (в том числе из ПИЯФ) принимают активное участие в работе эксперимента LHCb. Сотрудники Отделения физики высоких энергий Института работают в составе группы анализа данных LHCb, занимающейся рождением и распадами очарованных адронов. Они осуществляли научное рецензирование этого результата в рамках процедур международного сотрудничества.