Как родилась Вселенная? Физики из CERN провели новые эксперименты нарушающие CP симметрию

Физики из Европейского центра ядерных исследований (CERN) опубликовали новые результаты экспериментов на Большом адронном коллайдере (LHC), в которых измеряли нарушение симметрии между материей и антиматерией в распадах частиц с тяжелыми кварками. Это нарушение, называемое нарушением CP-симметрии, может быть одним из ключевых факторов, объясняющих превосходство материи над антиматерией во Вселенной.

CP-симметрия предполагает, что законы физики не меняются при одновременном изменении заряда частицы на противоположный и отражении ее в зеркале. Однако в 1964 году было обнаружено, что CP-симметрия нарушается в распадах нейтральных каонов - частиц, состоящих из кварков s и d. Позже было показано, что CP-симметрия нарушается и в распадах нейтральных B-мезонов - частиц, состоящих из кварков b и d или b и s.

На семинаре , состоявшемся с 13 июня, в ЦЕРНе, LHCb сообщила, как она точнее, чем когда-либо прежде, измерила два ключевых параметра, определяющих такую ​​асимметрию вещества и антивещества.

В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч открыли нарушение CP-симметрии в ходе своего новаторского эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, используя распады частиц, содержащих странные кварки. Это открытие бросило вызов давней вере в симметрию природы и принесло Кронину и Фитчу Нобелевскую премию по физике в 1980 году.

В 2001 г. эксперимент BaBar в США и эксперимент Belle в Японии подтвердили существование CP-нарушения в распадах бьюти-мезонов (beauty mesons) , частиц с бьюти-кварком, что укрепило наше понимание природы этого явления. Достижение вызвало интенсивные исследования по дальнейшему пониманию механизмов, лежащих в основе нарушения СР. В 2008 году Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава получили Нобелевскую премию по физике за свою теоретическую основу, которая элегантно объяснила наблюдаемые явления CP-нарушения.

В своих последних исследованиях, используя полный набор данных, зарегистрированных детектором LHCb во время второго запуска Большого адронного коллайдера (LHC), коллаборация LHCb намеревалась измерить с высокой точностью два параметра, которые определяют степень нарушения СР в распадах красоты. мезоны.

Один параметр определяет количество CP-нарушения в распадах нейтральных бьюти-мезонов, которые состоят из нижнего антикварка и нижнего кварка. Это тот же параметр, который был измерен экспериментами BaBar и Belle в 2001 году. Другой параметр определяет количество CP-нарушения в распадах мезонов странной красоты (strange beauty mesons), состоящих из нижнего антикварка (bottom antiquark) и странного кварка (strange quark).

В частности, эти параметры определяют степень зависящего от времени нарушения СР. Этот тип СР-нарушения возникает из-за интригующей квантовой интерференции (Intriguing quantum interference), возникающей при распаде частицы и ее античастицы. Частица имеет свойство самопроизвольно превращаться в свою античастицу и наоборот. Когда происходят эти осцилляции, распады частицы и античастицы интерферируют друг с другом, что приводит к характерному паттерну нарушения СР, который меняется со временем. Другими словами, величина наблюдаемого нарушения СР зависит от времени жизни частицы до распада. Это увлекательное явление дает физикам ключ к пониманию фундаментальной природы частиц и их симметрии.

Для обоих параметров новые результаты LHCb, которые являются более точными, чем любой эквивалентный результат одного эксперимента, соответствуют значениям, предсказанным Стандартной моделью.

Это измерение является одним из самых точных в области физики тяжелых кварков и демонстрирует высокую чувствительность детекторов LHC к нарушению CP-симметрии. Однако стандартная модель не может полностью объяснить асимметрию между материей и антиматерией, поэтому физики продолжают искать новые физические явления, которые могут привести к большему нарушению CP-симметрии, чем предсказывает стандартная модель.

Будущие данные, полученные в результате третьего запуска LHC и запланированной модернизации коллайдера, High-Luminosity LHC, еще больше повысят точность этих параметров асимметрии вещества и антивещества и, возможно, укажут на новые физические явления, которые могут помочь пролить свет на то, что является одним из самых сокровенных тайн Вселенной.