LHCb обнаружил нарушение CP инвариантности в распадах очарованных мезонов

Понедельник, 25 марта 2019

Эксперимент LHCb, проводящийся на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об обнаружении нарушения CP-инвариантности в распадах очарованных D0 мезонов.

С момента открытия античастиц физики начали задумываться, отличаются ли физические законы для них от физических законов для частиц (из которых преимущественно состоит наша Вселенная). Этот вопрос оказывается сильно связан с другим вопросом – различают ли физические законы понятия «право» и «лево». Для гравитации и электромагнетизма это так. Например, если сделать видеозапись какого-то процесса из нашей обычной жизни, затем зеркально её отразить (в физике принято обозначать такую операцию буквой P), то будет невозможно определить, глядя на эти записи, какая из них является первоначальной. Невозможно, если на записи не видны проявления процессов, протекающих под действием слабого взаимодействия (например бета-распады атомных ядер). В 1956 году Ли и Янг предложили проверить, нарушается ли P-симметрия для таких распадов, и через год Ву Цзяньсюн показала, что она нарушается! Электроны при бета-распаде 60Co вылетают преимущественно в направлении спина атомного ядра. Это направление можно зафиксировать магнитным полем, предварительно охладив атомы. Спин не меняет направления при применении к системе операции зеркального отражения, и мы сможем различить, какая из видеозаписей опыта Ву правильная.

Чтобы сделать такое заключение, мы неявно предположили, что на видео события развиваются в нашем мире – мире, состоящем преимущественно из частиц. Вскоре после опыта Ву советский физик Лев Ландау указал, что слабое взаимодействие может быть инвариантно относительно связки операций зеркального отражения (P) и операции замены частиц на античастицы и наоборот (операция зарядового сопряжения, С). Если не знать, где проведена видеосъемка, в нашем мире или в гипотетическом мире, где доминирует антиматерия, то ответить на вопрос о подлинности, казалось бы, невозможно.

Так вот, оказалось, что слабое взаимодействие немного, но нарушает и CP-инвариантность! В 1964 году, физики Вал Фитч и Джеймс Кронин обнаружили, что нейтральные K мезоны ведут себя чуть-чуть иначе, чем соответствующие античастицы. Чтобы теоретически объяснить обнаруженный эффект, японские теоретики Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава предложили расширить число кварков с трёх (известных к 1973 году) до шести. Их предсказание триумфально подтвердилось. Упомянутые экспериментаторы (все, кроме Ву) и теоретики за свои работы получили Нобелевские премии.

Для K-мезонов нарушение CP четности связано с превращениями систем, содержащих s кварк (странный кварк). Возможны ли CP нарушения в других системах? Да! В 2001 году эксперименты Belle и BaBar обнаружили нарушения для систем, в состав которых входят прелестные b-кварки и кварк первого поколения d, (т. е. для B0 мезонов). А в 2012 году LHCb обнаружил этот эффект для систем прелестно-странных Bs0 мезонов (они состоят из b кварка и анти-s кварка, или наоборот для антимезона).

В четверг, 21 марта 2019 года, эксперимент LHCb объявил, что наблюдает CP нарушение для нейтральных очарованных D0 мезонов (состоящих из c кварка и анти-u кварка, или наоборот).

Как способом был экспериментально зафиксирован этот эффект? Физикам нужно было найти отличие вероятности распадов D0 мезонов и анти-D0 мезонов, в каком-нибудь канале распада. Для этого нужно посчитать сколько D0 мезонов и анти-D0 мезонов родилось, а потом посчитать различие в числе распадов.

Вопрос подсчета числа частиц и античастиц решается при помощи процедуры мечения (таггирования, от англ. tag – помечать) начального состояния. В новой работе LHCb использовались два метода таггирования: прямой (пионный) и вторичный (мюонный). Суть прямого метода состоит в том, что при взаимодействиях протонов рождается много заряженных D* мезонов, которые на 10 % тяжелее нейтральных и практически мгновенно распадаются под действием сильного взаимодействия на нейтральный D мезон и заряженный π-мезон. Трек пиона можно зарегистрировать, узнать его заряд и определить, появился ли он из распада D* мезона, а значит входит ли в состав нейтрального D мезона, образовавшегося в результате этого же распада, с кварк или анти-c кварк. Вторичный метод основан на регистрации мюонов из распада так называемых полулептонных распадов B мезонов. Если распадался мезон, содержащий b кварк, то образуется c кварк (в составе D мезона) и отрицательно заряженный мюон, а если анти-b кварк, то образуется анти-c кварк (в составе анти-D мезона) и положительно заряженный мюон. Регистрируя заряд мюона, можно узнать аромат D мезона, который появился в результате такого распада.

На пути к открытию физиков поджидает одна «неприятность» – ожидаемый эффект мал и сопоставим с другими эффектами, вызывающими асимметрию сигналов от распадов частиц и античастиц:

  1. Асимметрия появления D0 мезонов: так как начальная система несимметрична (взаимодействуют протоны, а не протон с антипротоном) можно ожидать асимметрию рождения D0 и B мезонов, которая транслируется в асимметрию сигнала.
  2. Асимметрия детектирования частиц, в которые распался D0 мезон. Экспериментальная установка состоит из вещества, поэтому вероятность взаимодействия частиц и античастиц с ней может различаться. Например, при одинаковом протоке K мезонов будет регистрироваться меньше, чем K+ мезонов, так как первые интенсивнее «теряются», пролетая через вещество детектора.
  3. Асимметрия детектирования частиц, по которым осуществляется таггирование (вызвано теми же причинами, что п.2).

Свести эффект п.2 к нулю можно, регистрируя CP-четные распады D0 мезонов, например D0KK+ или D0ππ+. Действительно, при замене частицы ↔ античастицы конечное состояние окажется точно таким же, и соответствующая асимметрия будет равна нулю. Для того чтобы устранить влияние п.1 и п.3 физики LHCb применили следующий «трюк»: измеряли разницу асимметрий для D0KK+ или D0ππ+ каналов, для которой соответствующие асимметрии появления D0 и асимметрия таггирования сокращаются. Если CP нарушается для очарованных мезонов, то соответствующая наблюдаемая (ΔACP) может отличаться от нуля. Если же ΔACP ≠ 0, то CP-симметрия нарушена.

Для выделения малого эффекта, а ΔACP ожидалась на уровне одной десятой процента, нужно набрать огромную экспериментальную статистику, что позволяет сделать эксперимент LHCb. Обработав данные, набранные в ходе второго этапа работы БАК, физики выделили:

Была проведена кропотливая работа не только по выделению сигналов (см. Рис. 3 и 4), но и для того чтобы убедиться, что измерение устойчиво к различным факторам, которые могут на него повлиять. В результате получено следующее значение:

ΔACP exp = (–15.4 ± 2.9) ∙ 10–4,

где статистические и систематические погрешности объединены. CP-нарушение зафиксировано на уровне 5,3 σ, что позволяет говорить об экспериментальном открытии эффекта. Чтобы убедиться, насколько LHCb хорош в измерении этой величины достаточно сравнить точность, полученную в этом измерении, с точностью, достигнутой другими экспериментами (см. рисунок 5). Подготовленная публикация направлена в печать.

К сожалению, пока провести точное сравнение полученных экспериментальных результатов с предсказаниями теории нельзя. Точность расчетов меньше точности, заявленной экспериментаторами. Ясно одно: открыта новая страница в измерении отличий частиц от античастиц.

Эти измерения важны для того, чтобы объяснить эволюцию нашей Вселенной в первые секунды после Большого взрыва, приведшие к тому, что в наблюдаемой нами части космоса материя доминирует над антиматерией, если, конечно, Вселенная изначально была симметричной. Выдающийся советский физик-теоретик Андрей Дмитриевич Сахаров в своей работе 1967 года сформулировал три основные предпосылки космологического образования барионной асимметрии Вселенной:

  1. Отсутствие закона сохранения барионного заряда;
  2. Отличие частиц от античастиц, проявляющееся в нарушении СР инвариантности;
  3. Нестационарность. Образование барионной асимметрии возможно лишь в нестационарных условиях при отсутствии локального термодинамического равновесия.

С тех пор физики ищут проявления в микромире первого и второго пункта сахаровских условий. Ключевой эксперимент по проверке сохранения барионного заряда – поиск распада протона, однако есть и другие подходы. Так ищутся, например, превращения нейтрона в антинейтрон - гипотетические превращения, в которых барионный заряд меняется сразу на две единицы. Такие поиски ведут физики Отделения нейтронной физики НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ).

Силы установленных до сегодняшнего дня эффектов нарушения СР инвариантности недостаточно для генерации существующей барионной асимметрии, а вот с очарованными частицами еще не до конца всё ясно. Является ли обнаруженный эффект стандартным или нет, покажет время и дальнейшая работа физиков. Следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе группы анализа данных LHCb, которая занимается исследованием свойств очарованных частиц и имеет непосредственное отношение к полученным результатам.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт