Физики напрямую измерили разность фаз слабого взаимодействия у дважды странных барионов

Физики впервые напрямую измерили разность фаз слабого взаимодействия (величину, которая связана с нарушением симметрии между частицами и античастицами в процессах с нарушением зарядово-пространственной симметрии) для барионов (класса частиц, которые состоят из трех кварков). Как сообщается в статье, опубликованной в Nature, сделать это удалось в опыте с распадами заряженных Ξ-гиперонов. Точность измерений, однако, пока не позволила выявить отклонений от прогнозов Стандартной модели.

Сегодня известно, что у каждой частицы есть партнер-античастица (иногда совпадающая с ней самой) — с той же массой, но противоположными знаками всех типов зарядов. Тем не менее наш мир состоит в основном из обычного вещества, а антиматерии в нем гораздо меньше. В этой асимметрии есть проблема: почему, если частицы и античастицы так похожи, во Вселенной мы наблюдаем много одних и мало других? В рамках современной физики однозначного ответа на этот вопрос нет.

Одна из гипотез — это динамическая генерация такой асимметрии из-за процессов, в которых неодинаковость частиц и античастиц в конечном итоге приводит к образованию большего количества первых. В рамках такого предположения ключ к пониманию проблемы асимметрии между материей и антиматерией — поиск процессов, в которых проявляется такая фундаментальная разница между частицами и античастицами (за пределами просто противоположных зарядов).

К таким процессам относятся реакции с нарушением CP-симметрии, то есть такие реакции, которые протекают неодинаково при одновременном зеркальном отражении системы в пространстве и замене всех частиц на античастицы. Само явление ученые обнаружили еще в середине прошлого века, однако точность некоторых экспериментов и сегодня остается невысокой из-за малости измеряемых величин по сравнению с погрешностью самих измерений и статистической обработки данных.

Физики китайской коллаборации BESIII (Beijing Spectrometer III) из 11 стран при участии Медины Абликим (Medina Ablikim) из Пекинского института физики высоких энергий проанализировали наблюдения одного из процессов с нарушением CP-симметрии — распадами заряженных Ξ-гиперонов на Λ-гипероны и π-мезоны. В ходе обработки данных им удалось провести первое прямое измерение разности фаз слабого взаимодействия для барионов.

Для анализа исследователи использовали данные, которые собирал детектор BESIII в запусках 2009 и 2012 года. В этих данных авторы выделяли события, которые отвечают рождению пары противоположно заряженных Ξ-гиперонов из электрон-позитронной пары с промежуточным образованием J/ψ-частицы. Ξ^–-гипероны затем распадались на π^–-мезон и нейтральный Λ-гиперон, а последний, в свою очередь, — на протон и еще один π^–-мезон. Ξ⁺-гиперон порождал такую же тройку из античастиц: антипротон и два π⁺-мезона.

Используя только те сигналы детектора, в которых обнаруживалось по меньшей мере шесть заряженных частиц (по три каждого знака) и регистрируя в таких сигналах ожидаемые (анти-) протоны и π-мезоны (суммарно около 73 тысяч событий с рождением пары Ξ^±), физики восстанавливали параметры исходных распадов Ξ^±-гиперонов и сравнивали распад частицы с распадом античастицы.

Амплитуда вероятности распадов Ξ-гиперонов на пару из Λ-гиперона и π-мезона складывается из амплитуд вероятности двух подпроцессов: с суммарным нулевым (s-волна) и единичным (p-волна) угловым моментом дочерних частиц. При этом параметр, который описывает эту разность фаз, строго противоположен по знаку у частиц и античастиц в случае CP-симметрии. Если же CP-симметрия нарушена, то среднее арифметическое значение этого параметра у частицы и античастицы оказывается ненулевым — проявляется разность фаз слабого взаимодействия.

За счет рождения пар Ξ^± из одной промежуточной J/ψ-частицы авторам удалось избавиться от подавления эффекта нарушения CP-симметрии, который обусловлен разницей между s- и p-волной с точки зрения сильного взаимодействия. Это позволило напрямую восстановить разность фаз слабого взаимодействия по измерениям кинематических параметров регистрируемых частиц и их угловому распределению.

Несмотря на факт первого экспериментального измерения такой величины для барионов, ее абсолютное значение статистически неотличимо от нуля (статистическая погрешность практически втрое больше измеренной величины) и предсказания стандартной модели (которое также близко к нулю). Таким образом, результат скорее представляет демонстрацию новой экспериментальной техники точных тестов для CP-симметрии, а говорить о проявлении новой физики и объяснении асимметрии между частицами и античастицами пока рано. Тем не менее, авторы отмечают, что набор большего количества данных в будущих экспериментах на современных детекторах может позволить зарегистрировать желаемый эффект, если такой действительно существует.

Ранее мы писали о том, как физики обнаружили нарушение CP-симметрии в осцилляциях B-мезона и нашли асимметрию между материей и антиматерией в распадах D-мезонов.

Николай Мартыненко