Трошки про CP-порушення, або Як шкода, що у нас немає детекторів з антиречовини!

0
4

Пару тижнів тому колаборація DZero, що працює на Тэватроне, оголосила про те, що вона «бачить» нову аномалію в народженні мюонів — асиметрію між ймовірністю народження позитивних і негативних мюонів (див. саму статтю, прес-реліз Фермилаба, реакцію у фізичних блогах). Колаборація провела ретельний аналіз усіх можливих інструментальних похибок і заявляє, що на них повністю ефект списати не вдається. Значить, говорять автори, ми маємо справу з реальним ефектом, джерелом якого є CP-порушення в нейтральних B-мезонах (трошки про CP-порушення див. в кінці посту).

В принципі, CP-порушення детектировалось і раніше, але воно завжди залишалося дуже маленьким і було більш-менш в рамках того, що пророкувала Стандартна модель фізики елементарних частинок. Зараз же отриманий ефект приблизно в 40 разів більше, ніж прогнози Стандартної моделі (асиметрія приблизно в 1% проти 0,023%). Якщо це реальний ефект, а не артефакт, то це означає перший погляд в досі невідомий світ якісь зовсім нових частинок або взаємодій — те, що так давно шукають фізики.

Правда, фізики зустріли це повідомлення досить прохолодно. Статистична значимість ефекту — трохи більше 3 стандартних відхилень, не бозна-яка велика. І крім того, буквально через тиждень інший експеримент, який працює на Тэватроне — CDF — доповів на конференції результат про CP-порушення в Bs-мезонах, добре узгоджується зі Стандартною моделлю (див. подробиці у блозі Resonaances) — отже, ставить під сумнів інтерпретацію DZero. Чим все це скінчиться, поки незрозуміло. Може бути там є нова фізика, може бути це чистий артефакт дуже складної обробки даних, а може бути, ситуація зависне в стані, коли ніхто так нічого і не зрозумів — як це по суті сталося з сенсаційною заявою CDF півторарічної давності про спостереження мюонним струменів.

Але я тут хочу підкреслити зовсім не це, а один маленький, але цікавий момент, специфічний саме для вивчення CP-порушення — у противагу всім іншим вимірам в детекторах.

Коли ми вивчаємо слабеньку асиметрію між речовиною і антиречовиною, ми, звісно, намагаємося ставити експеримент максимально зарядово-симетрично — просто щоб не привнести в дані детектора якийсь зовнішній дисбаланс між частинками і античастицами. Той факт, що на Тэватроне стикаються саме протони і антипротоны, як раз цієї мети допомагає.

Але от далі — біда! Справа в тому, що весь наш світ, в тому числі і сам детектор, що складається з речовини. У нас просто немає можливості побудувати детектор, порівну складається з матерії і антиматерії. І ось це кричуще 100% нерівноправність між матерією і антиматерией можна привести (і приводить) до чисто інструментальним ефектам, які максируют собою CP-порушення і від яких треба позбавлятися.

Ось конкретний механізм. Ми реєструємо мюоны обох знаків, μ+ μ−, і перевіряємо, чи є дисбаланс між частотою їх народження.
Мюоны реєструються на околиці детектора — це стандартний спосіб відокремити мюоны від інших частинок. Зареєстровані мюоны могли народитися як в самому центрі, в місці стокновения протонів, так і при розпаді якийсь довгоживучої частинки, яка вилетіла з центру, пролетіла кілька метрів і розпалася з випусканням мюона вже десь всередині детектора.

Головними кандидатами для таких проміжних частинок є K+ і К—мезони, які при розпаді можуть випускати μ+ μ−, відповідно. Поки все симетрично. Але пролітаючи крізь речовину (не антиречовину!) детектора, ці K+ або K− можуть просто зіткнутися з ядрами, і тоді ніякого мюона вони вже не породять. Так от, K+ продирається через речовину легше, ніж K−. Так відбувається тому, що K− містить s-кварк, а K+ — анти-s-кварк. При зіткненні каона з протоном (або нейтроном), s-кварк з задоволенням перескакує на нього в обмін на d-кварк, об’єднується з його uu-(або ud)-кварками і утворює який-небудь гіперон. А анти-s-кварк такого собі дозволити не може — він «анти», він не поєднується з кварками. Тому K− відчуває більш сильне поглинання в речовині.

У результаті навіть якщо спочатку був однаковий потік K+ і K, в речовині K− зникає швидше, а значить, дає менше μ−. У результаті з-за суто інструментального ефекту ми бачимо більше μ+, ніж μ−. Подібні ефекти сильно ускладнюють пошук істинного CP-порушення, і щоб відрізнити його від такого штучного дисбалансу, треба досконало знати поведінку свого детектора і мати ретельно налагоджені програми моделювання того, як частинки проходять крізь нього.

Ну і нарешті коротка довідка про CP(«цэпэ»)-порушення.

Йому можна дати чітке визначення через перетворення, але за великим рахунком, це просто несиметрія між речовиною і антиречовиною. До її експериментального виявлення в 1960-ті роки фізики думали, що такого бути не може, тому що така нерівноправність здавалося надто вже протиприродним. Як виявилося, воно береться тільки за рахунок слабкої взаємодії, і згодом було зрозуміле, як його можна включити в теорію (саме за це дали половину Нобелівської премії з фізики за 2008 рік).

Взагалі, CP-порушення — це слабкий ефект; для того, щоб його побачити, треба дослідити рідкісні розпади мезонів і слабенькі асиметрії. Тим не менш, CP-порушення абсолютно важливо для самого існування нашого світу. В осяжній частини Всесвіту ми бачимо 100% домінування речовини над антиречовиною, але вийшло так тому, що спочатку в самій ранній і гарячої Всесвіту динамічно виникло слабеньке переважання речовини над антиречовиною, на рівні приблизно одна мільярдна. В результаті охолодження Всесвіту майже всі частинки проаннигилировали зі своїми античастицами, крім дуже малої частки речовини, яка так і залишилася існувати. З нього, зрештою склалися зірки, планети і ми самі.

Як саме це CP-порушення виникло, ніхто не знає. Теорій багато, але хто прав — поки незрозуміло. З’ясування цього питання — одне із завдань Великого адронного коллайдера. Ясно тільки одне: той рівень CP-порушення, який є в Стандартній моделі, занадто слабкий для того, щоб породити світ таким, який він є. Саме тому теоретики й вигадують різні теорії з новими джерелами CP-порушення — на жаргоні всі ці теорії в сукупності називають «Нова фізика».

Експериментально CP-порушення проявляється у распадах нейтральних К-мезонів і Bd-мезонів. Там воно слабке. Теорії натякають на те, що воно повинно бути сильнішим у распадах Bs-мезонів, але виміру в цій системі поки що залишалися ненадійними. Більш того, в останні пару років у цій системі при зростанні накопиченої статистики намічалося якесь відхилення від Стандартної моделі. Це і давало теоретичну лазівку — пояснити аномально сильну асиметрію DZero через Bs-мезони. Але правда, CDF зараз цю лазівку прибив його вимірювання при великій накопиченої статистики добре вписуються в Стандартну модель.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here