Эксперимент LHCb сообщил о первом наблюдении нарушения зависящей от времени CP-инвариантности в распадах странных B-мезонов на заряженные каоны. Такой результат дополняет полученные ранее экспериментальные данные о CP-нарушениях в физике элементарных частиц, а в будущем он потенциально может объяснить дисбаланс между материей и антиматерией во вселенной. Доклад LHCb опубликован на сайте эксперимента, коротко об открытии сообщает ЦЕРН.
Нарушение CP-инвариантности в физике элементарных частиц – это явление неинвариантности законов физики относительно операции зеркального отражения пространства с одновременной заменой всех частиц на античастицы. Впервые экспериментально такой эффект обнаружили в распадах каонов в 1964 году (за что Джеймс Кронин и Вэл Фитч удостоились нобелевской премии по физике за 1980 год), а в дальнейшем отклонения от CP-симметрии стали находить все в большем числе явлений на ускорителях.
Подобные открытия привлекают особое внимание физиков, ведь существенное нарушение CP-инвариантности в физическом описании нашего мира позволило бы объяснить наблюдаемую асимметрию между количеством материи и антиматерии во вселенной. При этом в Стандартной модели есть только два источника потенциального CP-нарушения: в квантовой хромодинамике, где оно до сих пор не наблюдается экспериментально, и в слабых взаимодействиях. Второй подход к описанию отклонения мира от CP-симметричности хоть и подтверждается в экспериментах, но слишком мал по величине прогнозируемого эффекта. Поэтому для научного сообщества важно обнаружить и объяснить другие проявления нарушения CP-инвариантности чтобы понять, почему наш мир состоит лишь из материи, и куда пропала вся антиматерия.
Теперь еще одно CP-нарушение обнаружили в данных работы эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе за 2015-2016 годы. Участники эксперимента сообщили о первом обнаружении нарушения зависимой от времени CP-инвариантности в распадах странного B-мезона на два каона противоположных зарядов. Сам мезон непрерывно осциллирует между двумя своими состояниями – частицы и античастицы. Зависимость CP- нарушения от времени в таком контексте означает, что асимметрия между числом странных B-мезонов и их античастиц не просто существует, но и меняется в течение жизни мезона. Сами осцилляции происходят с частотой 3 × 1012 герц (3 миллиона миллионов раз в секунду), однако высокое временное разрешение детектора в эксперименте LHCb позволило физикам найти отклонения от Стандартной модели даже в столь быстрых процессах.
Кроме осцилляций странного B-мезона физики изучили аналогичный эффект для нейтрального B-мезона, также обнаружив нарушения зависимой от времени CP-инвариантности. Такие же наблюдения уже проводились коллаборациями Belle и BABAR в 2001 году, однако теперь физики на LHCb провели собственные измерения. Ранее в 2013 году LHCb продемонстрировал нарушение интегрированной по времени CP-инвариантности для странного B-мезона, а для нейтрального B-мезона подобные измерения также провели коллаборации Belle и BABAR в 2004 году. Тогда проявления CP-нарушения искали не в зависимости от времени, а по суммарным сечениям образования мезонов и антимезонов, а теперь LHCb повторил эти измерения и в очередной раз продемонстрировал асимметрию между образующимися в коллайдере количествами материи и антиматерии.
Статистическая точность нынешнего первого обнаружения нарушения зависимой от времени CP-инвариантности странного B-мезона на LHCb составила 6,7 σ. Теперь физикам предстоит сравнить полученные данные с прошлыми экспериментальными наблюдениям и предсказаниями Стандартной модели. Только после этих сравнений можно будет судить о том, смогут ли новые результаты помочь физикам объяснить дисбаланс между материей и антиматерией во вселенной.
Эксперимент LHCb в принципе плодотворен в поисках СP-нарушений: буквально в прошлом году на LHCb впервые обнаружили нарушения CP-инвариантности в распадах D0-мезона. А о других последних результатах работы Большого адронного коллайдера мы сообщаем в теме «Второй сезон Коллайдера».
Никита Козырев