"Чаровна" частица се колебае между античастица и обратно, също като котката на Шрьодингер

Физици доказаха, че субатомна частица може да се превърне в своята античастица и обратно, в ново откритие.

В експеримента LHCb е измерена разлика в масата между две частици от 0.00000000000000000000000000000000000001 грама или 10 ^-38  грама. Резултатът, докладван в статия, изпратена наскоро за публикуване в списание Physical Review Letters и представена на семинар на ЦЕРН, бележи крайъгълен камък в изследването на това как частица D ⁰ мезон, се променя от материя в антиматерия и обратно.

Мезонът D ⁰ е една от само четирите частици в Стандартния модел на физиката на частиците, които могат да се превърнат или да „осцилират“, т.е. да се колебаят между материални и своите антиматериални частици, които в повечето случаи са идентични със своите аналози. Останалите три са K ⁰ мезоните и два вида B мезони.

Мезоните са част от голям клас частици, съставени от елементарни частици, наречени кварки, и съдържат един кварк и един антикварк. Мезонът D ⁰ се състои от чаровен кварк и горен антикварк, докато неговата античастица, анти-D ⁰, се състои от чаровен антикварк и горен кварк.

Ароматите на кварките

^{Днес са известни 6 различни "класа", наричани - "аромати"(flavor) кварки, чиито свойства са дадени в таблицата.}

^{Освен това се въвежда и допълнителна характеристика, наречена “цвят”. За да се разграничат трите вида, в които се въплъщава всеки от 6-те кварки, се използва термина “цвят”. Разбира се, кварките нямат видим цвят. Цвят или цветен заряд е по-сложен аналог на спина, който характеризира взаимодействието между кварки и глуони. Името на тази характеристика е избрано по аналогия с оптиката, където червения, зеления и синия цвят когато смесят дават бял. Работата е там, че в рамките на силните взаимодействия е възможно или привличането на две частици с противоположен цвят (цвят и антицвят) или три частици с определена комбинация от цветове, чиято сума дава “бял” цвят, естествено “квантов цвят”, а не видим. Всеки кварк има един от трите цвята}

^{На всеки кварк съответства антикварк с противоположни квантови числа, заряд и антицвят.}

Бариони		Мезони
Барионите ( βαρύς -тежки) се състоят от три кварки от трите цвята (или антицвята), образувайки безцветна комбинация. Съществуват около 120 типа бариони, сред тях са ядрените частици (нуклони) - протоните и неутроните. Бариони са и многочислените хиперони - по-тежки и нестабилни частици, получени в последните години в ускорителите на елементарни частици. Имат полуцяло число спин: 1/2, 3/2. Те са фермиони.		Мезоните се състоят от един кварк и един антикварк с противоположни цветове. Има около 140 типа мезони. Мезони са пионите (π-мезони) и каоните (K-мезони) и други . Спинът им е цяло число 0, 1. Те са бозони.

Мезони

Като котката на Шрьодингер

В странния свят на квантовата физика, точно както известната котка на Шрьодингер може да бъде мъртва и жива едновременно, частицата D ⁰ може да бъде и себе си и своята античастица едновременно. Тази квантова „суперпозиция“ води до две частици, всяка със собствена маса - по-лек и по-тежък D мезон (известен технически като D ¹ и D ²). Именно тази суперпозиция позволява на D ⁰ да се колебае в своята античастица и обратно.

D ⁰ частиците се произвеждат при протон-протонни сблъсъци в Големия адронен колайдер (LHC) и те изминават средно само няколко милиметра, преди да се трансформират или „разпаднат“ в други частици. Сравнявайки D ⁰ частиците, които се разпадат след преминаването на малко разстояние, с частици, които изминават малко повече разстояние, колаборацията LHCb измерва важна величина, която контролира скоростта на колебанията между D ⁰ и анти-D ⁰ - разликата в масата между по-тежки и леки D частици.

Резултатът от 10 ^-38  грама превишава границата на статистическата значимост от „пет сигма“, което е необходимо, за да се признаеи наблюдение във физиката на частиците.

„За да поставим тази невероятно малка разлика в масата в контекста, тя все още е малка, дори когато се сравнява с масата на частицата D ⁰ - същата като масата на снежна топка в сравнение с масата на Монблан, най-високият връх в Европа от над 4800 метра“, отбелязва говорителят на LHCb Крис Паркс (Chris Parkes). "И това е голяма стъпка в изследването на осцилиращото поведение на D ⁰ частиците."

_{Кредит: Brice, Maximilien: CERN}

Отваря се нова врата за изследване на физиката

Това откритие на колебанията на D ⁰ мезоните отваря нова и вълнуваща фаза на изследването на физиката.

Сега изследователите искат да разберат самия процес на осцилиране, потенциално голяма стъпка напред в разрешаването на мистерията на асиметрията на материята и антиматерията.

Ключова област за изследването е дали скоростта на преходите частица-античастица е същата като тази на преходите античастица-частица.

И по-конкретно дали преходите са повлияни или причинени от неизвестни частици, които не са предвидени от Стандартния модел.

Рядко явление

Професор Гай Уилкинсън (Guy Wilkinson) от Оксфордския университет, чиято група допринася за анализа, коментира:

"Това откритие на осцилацията на чаровния мезон е толкова впечатляващо, защото за разлика от красивите мезони, колебанието е много по-бавно и поради това е изключително трудно да се измери в рамките на времето, за което мезонът се разпада. Този резултат показва, че колебанията са толкова бавни, че по-голямата част от частиците се разпаднат, преди да могат да се колебаят. Но ние можем да потвърдим това като откритие, защото LHCb е събрал твърде много данни".

Още информация

LHCb е един от четирите големи експеримента в LHC в ЦЕРН и е предназначен за изследване на разпада на частици, съдържащи красив кварк.

Основната цел на LHCb е да изследва асиметрията на материята и антиматерията или "нарушение на CP".

^{Електрическият заряд на отрицателно заредени електрони е равен на заряда на положително заредените протони в ядрото. Ако изведнъж заменим знака на електроните от - на +, а на протоните от + на - и така на всички заредени частици във Вселената, не можем да очакваме нещо да се промени, тъй като силата взаимодействието ще остане същата. Това е т.нар. C - симетрия, а P-четността е огледалната симетрия.}

^{Макар, че поотделно C и P – симетриите да се нарушават, заедно CP-трансформацията превръща частиците в античастици, т.е. установява се симетрията между материя и антиматерия.}

След Големия взрив материята и антиматерията са създадени в равни количества и когато се срещнат, те се унищожават взаимно (анихилират се).

Тъй като живеем във Вселена, доминирана от материята, трябва да има фина разлика между материята и антиматерията, която е позволила на материята да оцелее.

С наблюдаваната сега малка разлика в масата може да започне нова фаза на изследване на частиците. Изследователите могат да извършват допълнителни измервания на разпадането на D ⁰, за да получат по-точна разлика в масата и да търсят ефекта върху осцилацията на D ⁰  на неизвестни частици, непредвиден от Стандартния модел.

Такива нови частици могат да увеличат средната скорост на осцилацията или разликата между скоростта на колебанията от материя до антиматерия и на колебанията от антиматерия към материя. Ако се наблюдава, подобна разлика може да хвърли светлина върху това защо Вселената е изградена изцяло от материя, въпреки че материята и антиматерията е трябвало да бъдат създадени в равни количества по време на Големия взрив.

Говорителят на LHCb Крис Паркс обяснява новия резултат. (Видео: ЦЕРН)

Справка: Observation of the mass difference between neutral charm-meson eigenstates. arXiv:2106.03744v1 [hep-ex] arxiv.org/abs/2106.03744 Physical Review Letters

Източник: 

LHCb measures tiny mass difference between particles, CERN

Subatomic particle seen changing to antiparticle and back, UK Research and Innovation

Още по темата

18/07/2019

Физика

Проф. Норберт Пиетрала за суперсиметрията и загубите на симетрия

04/07/2019

Физика

Има признаци на огледална вселена, която докосва нашата

01/02/2017

Физика

Нов източник на асиметрия между материя и антиматерия бе открит в ЦЕРН

20/12/2016

Физика

Антиводородът премина теста за симетрия