>> << >>
Главная Выпуск 24 NewConcepts Chapters

Асимметрию между материей и антиматерией впервые заметили в распадах D-мезонов

Тимур Кешелава

 

 

CERN

Анализ данных, собранных детектором LHCb в течение первого и второго сеанса работы Большого адронного коллайдера, позволил обнаружить нарушение CP-инвариантности для D0-мезонов. Эта симметрия связывает частицы и античастицы, а ее нарушение указывает на фундаментальные различия между этими типами материи. Результаты были представлены на конференции Rencontres de Moriond и опубликованы на сервере документов CERN.

CP-симметрия, также называемся комбинированной четностью, представляет собой произведение двух преобразований: замены всех зарядов на противоположные и зеркального отражения пространства. Электромагнетизм и сильные взаимодействия являются инвариантными относительно операции CP-преобразования. Это означает, что все подобные процессы не меняются при такой трансформации. Однако эта симметрия может нарушаться при явлениях с участием слабого взаимодействия. Нарушение CP-симметрии необходимо в космологии для объяснения отсутствия заметного количества антиматерии в наблюдаемой Вселенной. Однако измеренное в физике частиц отклонение очень мало, CP-симметрия практически выполняется, ее нарушения не хватает для описания дисбаланса между материей и антиматерией в окружающем мире.

Впервые нарушение CP-симметрии обнаружили в 1964 году при изучении нейтральных каонов, за что была вручена Нобелевская премия по физике в 1980 году. Теоретическое решение было выдвинуто в работах Никола Кабиббо, Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава. Они предложили естественную модификацию уравнений, которые потом стали частью Стандартной модели физики частиц. Однако из их идеи следовало существование еще одного — третьего — поколения кварков, которое на тот момент известно не было. Первый кварк третьего поколения был обнаружен в 1977 году, но наиболее полноценным подтверждением теории стало обнаружение второго семейства частиц, демонстрирующих нарушение CP-инвариантности — B-мезонов, в состав которых входит b-кварк из третьего поколения. Это удалось выяснить только в XXI веке, что также было отмечено Нобелевской премией в 2008 году.

Ранее нарушение устанавливалось только для частиц, состоящих из кварков с зарядом -1/3: странные s-кварки входят в состав каонов, а прелестные b-кварки — B-мезонов. Также нарушение CP-инвариантности предсказывалось для еще одного типа частиц — D-мезонов, в состав которых входит представитель второго типа кварков с зарядом +2/3 — очарованный c-кварк. В первых данных Большого адронного коллайдера были указания на наличие нарушения при распадах D-мезонов, но полная статистика первого сеанса не подтвердила этого. В новой публикации коллаборации LHCb сообщается, что физикам впервые удалось твердо установить нарушение для этих частиц.

В статье описывается анализ всех собранных между 2011 и 2018 годами данных о распадах D0-мезонов (состоят из c и анти-u кварков) и их античастиц (состоят из анти-c и u кварков) на пары каонов или пионов. В этих процессах Стандартная модель предсказывает крошечное нарушение CP-инвариантности на уровне 10-3–10-4. Дополнительной сложностью в данном случае являются идентичные каналы распада частиц и античастиц. Чтобы точно знать, какая именно частица распалась, физики исследовали два случая, когда это можно установить по наличию дополнительных частиц. Если D0 получается из D*(2010)-мезона (D*+ → π+D0), то его появление сопровождается π+­-мезоном, а появление D̅0 в соответствующем процессе (D*- → π-0) — π--мезоном. Аналогично отслеживается рождение в так называемых полулептонных распадах, к которым, в частности, относится распад B-мезонов (B+ → μ+νD̅0 и B- → μ-ν̅D0), только частицей-индикатором выступает мюон или антимюон.

Подсчитав количество случаев распада по различным каналам можно вычислить степень асимметрии A, которая определяется как отношение разницы количества распадов частицы и античастицы в данном канале к их сумме: А = [ N(D0 → f) − N(D̅0 → f) ] / [ N(D0 → f) + N(D̅0 → f) ], где f — это либо пара каонов, либо пара пионов, а N — количество. Однако эта величина зависит не только от настоящей физической асимметрии, но и дополнительных источников, таких как неодинаковая вероятность детектирования продуктов реакций. Поэтому следует взять разность асимметрий, полученных для двух каналов распада — в таком случае связанные с особенностью установки вклады сократятся. В результате проведения данных операций физики получили значение нарушения симметрии ∆ACP =(−15,4±2,9)×10−4.

Авторы называют достижение важным по нескольким причинам. Во-первых, CP-нарушения в процессах с участием c-кварков ранее не наблюдали, во-вторых, такие явления — единственная возможность проверить CP-инвариантность для кварков с зарядом +2/3, в-третьих, это дает дополнительную информацию к получаемой при изучении каонов и B-мезонов.

Большой адронный коллайдер в данный момент выключен и находится на модернизации, но анализ данных продолжается и физики еще порадуют нас новыми открытиями. 

 

Добавить комментарий

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
Войдите в систему используя свою учетную запись на сайте:
Email: Пароль:

напомнить пароль

Регистрация