Пресс-центр

LHCb продолжает исследовать CP - нарушение для очарованных частиц

В ноябре, эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), выпустил новую работу, посвященную поискам нарушения CP инвариантности, происходящего в процессах осцилляций электрически нейтральных D-мезонов. Физикам удалось измерить наблюдаемую A_Г с рекордной точностью 2×10^–4, однако, так называемого непрямого CP-нарушения обнаружить не удалось.

Весной 2019 года эксперимент LHCb сообщил о первом наблюдении нарушения CP-инвариантности в распадах очарованных частиц. Физикам впервые удалось увидеть отличие частиц, содержащих в своем составе тяжелый c-кварк, от соответствующих античастиц, для которых произведена замена кварки ↔ антикварки. Очарованные кварки относится к кваркам «верхнего» типа (u, c, t), имеющим электрический заряд +2/3. До открытия LHCb было экспериментально известно лишь о процессах CP-нарушения для кварков «нижнего» типа (d, s, b), заряд которых –1/3.

Открытие LHCb было лишь первым шагом в исследовании CP-нарушения для очарованных адронов. Дело в том, что было открыто отличие частиц от античастиц в распадах, процессе, который относительно легко регистрируется, но трудно интерпретируется с теоретической точки зрения из-за сложностей с учетом влияния сильного взаимодействия. Это влияние само по себе не может сгенерировать CP-нарушение, но может усилить или ослабить его проявления. Чтобы попытаться прояснить картину, нужно измерять CP-нарушение, возникающее при смешивании D⁰ и анти-D⁰ мезонов, а еще лучше в интерференции процессов распада и смешивания. Измерению этих эффектов и посвящена новая работа LHCb.

Для регистрации непрямого CP-нарушения нужно отследить, меняется ли асимметрия распадов для D⁰ и анти-D⁰ мезонов в зависимости от времени, прошедшего с момента рождения очарованной частицы. Для определения времени необходимо зафиксировать точку в пространстве, в которой родился D⁰-мезон, узнать частица это или античастица, определить импульс мезона и точку, в которой он распался. Для определения аромата мезона и точки его появления экспериментаторы использовали метод, основанный на регистрации мюонов из 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 появившегося D мезона. Точка пересечения траекторий D-мезона и мюона – точка рождения очарованной частицы.

Для регистрации распадов (как и в предыдущей работе) эксперимент использовал CP-четные распады D⁰ мезонов: D⁰→K^–K⁺ или D⁰→π^–π⁺. При замене частицы ↔ античастицы в этих распадах конечное состояние окажется точно таким же, поэтому асимметрия детектирования частиц, в которые распался D⁰ мезон, равна нулю по определению. Используя статистику, набранную в ходе второго этапа работы БАК, удалось извлечь 9 миллионов сигнальных (распад + мюонная «метка») событий для распада D⁰→K^–K⁺ и 3 миллиона для D⁰→π^–π⁺ (см. рисунок 1).

Для выделенных событий была построена асимметрия – отношение разницы числа событий распадов D⁰ и антираспадов D⁰ к их сумме. Физики проверили, есть ли какая-либо тенденция к росту или падению этой величины с увеличением отрезка времени, прошедшего от рождения очарованной частицы до её распада (см. рисунок 2). Статистически значимого указания на такой эффект обнаружено не было. Данные согласуются гипотезой об отсутствии непрямого CP-нарушения.

  Наклон асимметрии распадов обозначают A_Г. Экспериментальная погрешность определения этой величины характеризует чувствительность эксперимента к эффектам непрямого CP нарушения. По результатам новой работы LHCb мировое среднее значение для A_Г составляет
(–2.9 ± 2.0 ± 0.6)×10^–4.

Следует отметить, что статистическая погрешность измерения почти в три раза превосходит систематическую, что внушает определенный оптимизм относительно перспектив дальнейших исследований.

Сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb.