Физики экспериментально обнаружили осцилляции типа «частица-античастица» между состояниями нейтрального очарованного мезона, а также измерили разность масс и ширин этих состояний. Для этого физики проанализировали большой объем данных по распаду D0 → K0Sπ+π−, зафиксированных с 2016 года по 2018 год в протон-протонных столкновениях на Большом адронном коллайдере. Результаты направлены в журнал Physical Review Letters, на данный момент доступен препринт.
Обновлено: в сентябре 2021 года статья опубликована в Physical Review Letters.
Понятие "квантовая суперпозиция" как правило ассоциируется с экспериментами с неэкзотической материей вроде фотонов, атомов и искусственных атомоподобных систем. Обычно говорят о кубите – системе из двух состояний, из которых может быть собрана суперпозиция. В данном случае это состояние одного и того же объекта: частицы или атома.
Тем не менее физика знает несколько примеров, когда суперпозиция оказывается возможна между состояниями «частица-античастица», то, есть, по сути, между разными частицами. Другими словами, измеряя свойства такой частицы, мы можем с некоторой вероятностью встретить ее либо в обычном состоянии, либо в состоянии античастицы. Одной из таких частиц оказался нейтральный очарованный мезон (D0-мезон), состоящий из одного очарованного кварка и одного верхнего антикварка. Физики предполагали, что D0-мезон по мере своего распространения должен постоянно превращаться из частицы в античастицу и обратно (т.е. участвовать в нейтральных осцилляциях), но свидетельств этому до недавнего момента обнаружено не было.
В своем новом исследовании коллаборация детектора LHCb Большого адронного коллайдера представила результаты анализа более чем 30 миллионов событий распада D0 → K0Sπ+π−, зафиксированных с 2016 года по 2018 год в протон-протонных столкновениях, который доказывает, что осцилляции D0-мезона на самом деле имеют место. Учитывая возможные нарушения CP-инвариантности в процессе смешивания и распада, физики смогли достаточно точно оценить разницу в массах и ширинах для собственных суперпозиционных состояний, которая превысила семь стандартных отклонений.
CP-инвариантность – это свойство физической системы переходить саму в себя при одновременном отзеркаливании и замене всех частиц на античастицы. Долгое время считалось, что никакие взаимодействия не могут ее нарушить, однако в середине XX века выяснилось, что в процессах с участием слабого взаимодействия такое иногда происходит. В конечном итоге на смену CP-инвариантности пришла CPT-инвариантность, где к симметриям была добавлена инверсия времени, и эта инвариантность наиболее строгая.
Тем не менее физики продолжают активно изучать нарушения CP-инвариантности, в том числе и в процессах нейтральных осцилляций. В частности, ученые считают, что превращение частиц в античастицы и наоборот может происходить с разной скоростью. Такая асимметрия получила название косвенного нарушения CP-инвариантности. Оказалось, что можно количественно оценить эти нарушения, анализируя продукты распада осциллирующих частиц, что и было сделано в новой работе с D0-мезоном.
Для этого авторы использовали модельно-независимый метод анализа диаграмм Далитца, заключающийся в представлении их в виде непересекающихся областей, в пределах которых параметры смешивания состояний примерно постоянны. В отсутствие нарушения CP-инвариантности получающееся разбиение должно быть антисимметрично относительно биссектрисы равных масс. Для каждой пары областей, зеркальных относительно биссектрисы, физики посчитали отношения чисел их событий при разных длительностях распада мезона. Такой подход позволил провести анализ без необходимости детализации всего процесса, который довольно сложен, поскольку D0-мезон распадается сразу на три частицы.
Анализ показал, что поведение рассчитанных величин может быть объяснено только в том случае, если оба суперпозиционных состояния мезона будут обладать разными массами, отличающимися всего на 10-41 килограмм. Кроме того, аккуратный учет систематических и статистических погрешностей позволил сделать вывод о том, что нарушения CP-инвариантности в процессе смешивания и распада, играет существенную роль.
Полученные результаты позволят ученым лучше понять то, как возникает асимметрия в переходах «частица-античастица» и наоборот. Возможно, именно эта асимметрия стала причиной того, почему во Вселенной материи гораздо больше, чем антиматерии.
Большой адронный коллайдер – источник все новых и новых открытий. Недавно мы рассказывали, как там обнаружили нарушение универсальности ароматов лептонов и ограничили взаимодействие бозона Хиггса с самим собой.
Марат Хамадеев