Рекордна проява на асиметрията материя-антиматерия е наблюдавана в Големия адронен колайдер

На неотдавнашната конференция Rencontres de Moriond EW, експериментът LHCb в Големия адронен колайдер обяви откриването на рекордна проява на нарушение на CP-симетрията в разпадите на B мезони. За една от областите на фазовия обем разпадането на B^– мезон (от антиматерия) в три електрически заредени π мезони (пиони) е седем пъти по-интензивно от разпадането на B⁺ мезон (от обикновена материя).

Различни ли са физическите закони, които описват поведението на частиците, от тези, които описват античастиците?

Този въпрос се оказва силно свързан с друг въпрос – дали физическите закони правят разлика между понятията „дясно“ и „ляво“. Това важи за гравитацията и електромагнетизма. Например, ако направите видеозапис на някакъв процес от нашия обикновен живот, след което го обърнете огледално (във физиката е обичайно да се обозначава такава операция с буквата P), тогава ще бъде невъзможно да се определи, гледайки този запис, кой от тях е оригиналният. Невъзможно е, но ако записът не показва прояви на процеси, протичащи под действието на слабо взаимодействие (например бета-разпад на атомни ядра). Структурата на слабото взаимодействие е такава, че някои процеси на трансформации на частици, които протичат под действието на тези сили, протичат по различен начин от съответните трансформации на античастиците. Операцията по замяна на частици с античастици се обозначава с буквата C.

CP-симетрията 

^{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.}

CP асиметрията е единствената нетривиална разлика между материя и антиматерия, открита досега. Откриването ѝ в разпада на неутрални каони през 1964 г. бе голяма изненада за физичната общност, но днес е основен компонент на Стандартния модел на физиката на елементарните частици.

^{През 1964 г. физиците откриват, че неутралните антикаони се превръщат в каони малко по-бързо, отколкото в антикаони. С други думи, антиматерията се превръща в материя по-бързо, отколкото материята в антиматерия и така в крайна сметка се събира малък, но все пак измерим излишък от материя. Това е известно като непряко CP-нарушение и се дължи на осцилацията частица-античастица на неутралните каони. Има и пряко нарушение на CP-симетрията, при което нарушението става при самия разпад.}

Без CP асиметрия Големият взрив би създал равни количества материя и антиматерия, които след това биха се унищожили взаимно, оставяйки след себе си празна Вселена, пълна с радиация. За да се създаде доминирана от материята Вселена като тази, в която живеем, трябва да се е образувал излишък от материя и да е оцелял при тази анихилация.

Но за да се получи такъв излишък, трябва да има някаква разлика между материя и антиматерия или CP асиметрия. За съжаление, количеството CP асиметрия, присъстващо в Стандартния модел на физиката на елементарните частици, не е достатъчно, за да обясни наблюдавания състав на Вселената, което води до задълбочени изследвания на този феномен и търсене на други източници на CP асиметрия.

Най-яркият пример за нарушение на CP-симетрията е открит наскоро от експеримента LHCb. Физиците са изследвали експериментално процесите на „безчаровен“ разпад на заредени мезони B– и B+ в три електрически заредени π-мезони: π^–π⁺π^– и π⁺π^–π⁺, съответно.

Тези разпади включват зареден B мезон, състоящ се от дънен (b-)кварк и горен (u-)кварк, трансформиращ се в комбинация от π и K мезони. Името „безчаровен“ се отнася до отсъствието на чаровни кварки в крайното състояние: π^± мезоните (пионите) съдържат само горни и долни кварки, а K^± мезоните (каони) съдържат странен и горен кварк. Безчаровният разпад включва трансформирането на b-кварк в u-кварк, което е малко вероятен процес, тъй като b-кваркът се разпада предимно в чаровен (c-)кварк. В този рядък процес ефектите от нарушението на CP-симетрията се очаква да бъдат засилени.

Новите резултати на LHCb се фокусират върху „прякото“ нарушение на CP-симетрията -  явление, при което същият процес на разпад има различна вероятност за частица, отколкото за античастица.

Най-силната глобална асиметрия се наблюдава при разпадането на два каона и един пион, където вероятността за B⁺→π⁺ K⁺ K^- разпад е с около 20% по-висока, отколкото при B^-→π^- K⁺ K^- разпад (съответстваща на измерена CP асиметрия A_CP от -0,114). Наблюдава се и глобална CP асиметрия със значимост от повече от пет стандартни отклонения за първи път при разпад на три пиона и разпад на три каона. За крайното състояние с два пиона и един каон, CP нарушение все още не е потвърдено.

Крайното състояние на трите частици обаче може да бъде проучено допълнително, за да се извлече повече информация. Процесът на B мезон, който се трансформира в три частици, може да се случи на няколко етапа, като се образуват междинни краткотрайни частици („резонанси“), които впоследствие се разпадат до пионите и каоните, наблюдавани в крайното състояние. Тези процеси могат да дадат различен принос към CP-асиметрията и могат да бъдат разплетени, като се вземе предвид импулса на частиците на крайното състояние в това, което е известно като „анализ на фазовото пространство“.

Един грандиозен резултат от такъв анализ е индикацията за образуване на χ_hc⁰ мезон (съдържащ двойка чаровни кварк и антикварк) по време на разпада B→πππ. χ_hc⁰ , който не се е очаквало да допринесе за нарушение на CP, но резултатите показват наличието на значителна асиметрия. Всъщност подмножеството от данни, съдържащи събитията χ_hc⁰ , се отличава с най-високата CP асиметрия, наблюдавана някога: B^- мезонът има почти 7 пъти по-голям принос за този процес от неговия аналог B⁺ , както може да се види на графиката по-долу.

_{Разпределение по маса на крайното състояние на трите пиона в предварително дефинирана област на фазовото пространство. Ясен сигнал от B^- (вляво) и B⁺ мезона (вдясно на графиката) се вижда като пик при 5,28 GeV/c2. Разликата между височината на тези два пика съответства на CP-асиметрията в изследваната област. Кредит: CERN}

Анализирани са не само чисто π-мезонните разпади от типа B → πππ, но и тези, при които заредените K-мезони се появяват в крайното състояние: B → ππK, B → πKK и B → KKK. Значителни ефекти на пряко CP-нарушение са открити и за втория, и за третия тип разпад.

Представените резултати дават важни улики за механизма на генериране на CP асиметрия в Стандартния модел, който все още не е напълно разбран. Още по-подробни проучвания ще бъдат извършени в предстоящия LHC Run 3 с наскоро модернизирания LHCb детектор.

Повече информация за тези резултати можете да намерите в бележката на уебсайта на LHCb, представянето на резултатите на конференцията Rencontres de Moriond EW, както и от материалите от семинара, проведен във вторник в ЦЕРН (слайдове, видео).

Трябва също така да се отбележи, че активно участие в работата на експеримента LHCb са взели и руски учени като сътрудниците на Катедрата по физика на високите енергии на Националния изследователски център „Институт Курчатов“.

Справка: CKM and CPV in beauty and charm
Roberta Cardinale on behalf of the LHCb Collaboration
University of Genova and INFN Genova
Moriond EW 2022, https://moriond.in2p3.fr/2022/EW/slides/5/1/6_RCardinale-v1.pdf

Източници:

Largest matter-antimatter asymmetry observed, Piotr Traczyk, CERN

Наблюдается рекордное проявление нарушения CP-инвариантности, НИЦ «Курчатовский институт» 

Още по темата

31/01/2022

Физика

Мултивселената може да разреши две фундаментални физични загадки наведнъж

01/02/2017

Физика

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

04/08/2016

Физика

Неутриното е толкова леко, защото някой прекалено тежък е седнал от другата страна на люлката (видео)

15/08/2015

Физика

Огледалото на пространство-времето. T-симетрията. CPT-симетрията