В Японии запустили после семи лет ремонта коллайдер SuperKEKB

Японский коллайдер SuperKEKB вновь запущен — в четверг в нем начались столкновения электронов и позитронов. После семи лет ремонта и модернизации ускоритель позволит набирать статистику столкновений примерно в 40 раз быстрее, чем его предшественник — KEKB, который до сих пор удерживает мировой рекорд светимости среди ускорителей. Одна из главных задач коллайдера и его основного эксперимента — BELLE II — исследование процессов рождения прелестных кварков и их редких распадов в поисках отклонений от Стандартной модели и изучения нарушений CP-четности. О возобновлении работы ускорителя сообщила японская организация по физике высоких энергий KEK.

Многие физические законы обладают специальными симметриями — например, уравнения механики не меняют своего вида, если заменить систему координат на зеркальную (P-симметрия), или же если заменить положительно заряженные частицы на отрицательно заряженные (С-симметрия). Стандартная модель также обладает определенными симметриями — скажем, отдельно C- или P-симметрии могут нарушаться в некоторых процессах, а комбинированная CP-симметрия сохраняется почти всегда. Иными словами, если взять некий процесс и заменить в нем частицы на античастицы и поменять систему координат на зеркально-симметричную, то уравнения, описывающие этот процесс, сохранятся, а значит окажутся равны и, к примеру, вероятности распадов частицы Y на набор частиц X и анти-Y на анти-X.

Однако иногда CP-четность все-таки нарушается. Об этом известно с середины XX века — в ряде процессов частицы и античастицы ведут себя по-разному. К примеру, это касается распадов каонов, мезонов, состоящих из u и d кварков. Это открытие было отмечено Нобелевской премией в 1980 году. Нарушения CP-четности важны тем, что могут частично объяснить тот факт, что наша Вселенная состоит преимущественно из вещества (без нарушения четности вещества и антивещества было бы поровну). Однако наблюдаемых эффектов все еще не достаточно, чтобы объяснить преобладание вещества.

Чтобы объяснить CP-нарушение физикам пришлось расширить модели и, тем самым, предсказать существование трех поколений элементарных частиц. К первому поколению относятся u- и d-кварки, ко второму c- и s-кварк (очарованный и странный), к третьему — b-кварк и t-кварк (прелестный и топ), самые тяжелые.

Фабрики прелестных мезонов, такие как KEKB и эксперимент BaBar (SLAC, США) — специализированные коллайдеры, в которых с большой вероятностью рождаются содержащие прелестные кварки частицы. Так как в Стандартной модели возможен (с определенной вероятностью) любой распад частицы на осколки меньшей энергии, то для создания прелестных мезонов необходимо сталкивать частицы с суммарной кинетической энергией, превышающей энергию покоя соответствующих мезонов. К примеру, в эксперименте KEKB энергия столкновений электронов и позитронов была подобрана так, чтобы с большой вероятностью рождались ипсилон-мезоны, состоящие из прелестного кварка и антикварка.

Как и для каонов, у прелестных мезонов были обнаружены CP-нарушения. Еще одно важное свойство прелестных частиц — существование определенных редких процессов с их участием, предсказанных Стандартной моделью. Их исследование — один из самых чувствительных способов увидеть нарушения самой проверенной модели в физике и найти намеки на Новую физику.

Коллайдер KEKB располагается в городе Цукуба, префектура Ибараки. В 2009 году он был остановлен на модернизацию, но, несмотря на это, до сих пор не был превзойден по светимости (величине, пропорциональной количеству столкновений в секунду) никаким другим ускорителем, в том числе и Большим адронным коллайдером. После обновления систем ускорителя, его светимость увеличится еще примерно в 40 раз, что позволит сильно увеличить скорость набора статистики и чаще обнаруживать редкие процессы. Физики ожидают, что в следующие 10 лет работы коллайдера будет собрана огромная статистика рождения пар b- и анти-b-мезонов: в 50 раз больше столкновений, чем за все время работы эксперимента KEKB.

Надо отметить, что энергия электронов и позитронов в SuperKEKB — не рекордная. В 1989-2000 годах функционировал LEP — большой электронно-позитронный коллайдер с энергией столкновений свыше 200 гигаэлектронвольт, в десятки раз больше энергий KEKB. Сегодня в тоннелях LEP располагается Большой адронный коллайдер. Исследование прелестных частиц также идет и на Большом адронном коллайдере, на детекторе LHCb. Подробнее об этом можно прочитать в материале «Прелестный кварк летит вперед».

Владимир Королёв