LHCb измерил ускользающе малую разницу масс

Четверг, 10 июня 2021

В конце мая - начале июня состоялась очередная конференция по физике очарованного кварка CHARM. На ней эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об измерении разницы масс собственных массовых состояний электрически нейтральных D мезонов. Величина эффекта составила 6,4×10–5 эВ.

Знаменитая формула специальной теории относительности – E = mc2 – описывает связь между полной энергией частицы (в системе покоя) и её массой. Физикам очень интересны ситуации, когда разницы энергий (масс) квантовых состояний малы. Обычно такие тонкие эффекты позволяют узнать что-то новое о Природе. Примером может служить сверхтонкая аномалия, о которой мы недавно рассказывали. Изучение этой наблюдаемой, которой соответствуют разницы масс на уровне 10–6–10–7 эВ, позволяют почувствовать распределение магнитного момента внутри атомных ядер.

Другой областью физики, которая характеризуется малыми (но ненулевыми) отличиями по массе, является физика нейтральных мезонов – систем, образованных парами кварк-антикварк. Для электрически нейтральных мезонов, образованных кварками разных ароматов, характерны сразу несколько способов определения, базисов, по которым может быть разложена волновая функция частицы. Одним из способов являются массовые состояния. Наблюдаемые частицы (и античастицы) можно представить в виде линейной комбинации двух массовых состояний: легкого (L, light) и тяжелого (H, heavy). Каждое характеризуется массой (mL и mH) и собственной шириной (ГL и ГH). Частота осцилляций определяется разностью масс: Δm = mH – mL. Осцилляции возможны для четырех мезонов:

Для первых трех систем частота осцилляции, а, значит, и разница масс, были экспериментально измерены, а вот для D0 мезонов было лишь известно, что Δm очень маленькая. Физиков, занимающихся очарованными частицами, волновал вопрос: «Насколько она мала? Отлична она от нуля или нет?» И вот теперь эксперимент LHCb объявил, что измеренное отличие Δm от нуля составляет 7 стандартных отклонений.

Для того, чтобы установить параметры нейтральных очарованных мезонов, физики исследовали цепочку распадов D*+ → π+D0( → KS0ππ+). Первый распад в цепочке однозначно фиксирует аромат мезона (D0 или анти-D0), который определяется знаком электрического заряда π мезона. Второй распад в цепочке проходит через промежуточные резонансные состояния, например, D0 → K(892)*π+ или D0 → K(892)*+π. В природе симметрия между такими каналами сильно нарушена. Первый (доминирующий) называют Кабиббо-разрешенным, а второй, дважды подавленный по элементам матрицы кваркового смешивания (дважды-Кабиббо подавленный), на порядок менее интенсивен. Его вероятность зависит от времени, прошедшего от момента рождения D0 мезона до его распада. Дело в том, что с небольшой вероятностью D0 мезон может спонтанно «превратиться» в анти-D0 мезон, для которого промежуточное состояние K(892)*+π будет уже Кабиббо-разрешенным. Зависимость кинематических распределений продуктов распада от времени несет в себе информацию о процессах: D0 ↔ анти-D0.

Чтобы измерить параметры осцилляций, физики исследовали эволюцию во времени так называемой диаграммы Далица – двумерное распределение по квадратам масс систем KS0π+ и KS0π. Интерес представляло отношение числа событий для участков этого распределения (Rb), лежащих слева и справа относительно оси симметрии диаграммы. Разбиение диаграммы на 8 регионов показано на рисунке 1, а распределение событий на рисунке 2. Такое нетривиальное разбиение требуется для того, чтобы держать приблизительно постоянной разницу фаз амплитуды сильного взаимодействия, измеренную в экспериментах CLEO и BESIII на электрон-позитронных коллайдерах.

Усредненное (по аромату) отношение Rb чувствительно к разнице масс массовых состояний. При описании зависимости Rb от времени жизни удобнее использовать величину x = Δm / Г, где Г = (ГL + ГH) / 2. При этом саму величину можно рассматривать как сумму xCP – основного вклада и добавки Δx, проявляющейся в случае, если CP-симметрия нарушается при смешивании. К последней чувствительна разность величин Rb, построенная отдельно для D0 мезонов (Rb+) и для анти-D0 мезонов (Rb). Распределение по времени для усредненных величин показаны на рисунке 3, а для Rb+ – Rb на рисунке 4. Данные свидетельствуют о том, что величина x отлична от нуля на уровне 7σ, а вот косвенного нарушения CP-четности обнаружено не было.

Измеренная разница масс составила 6,4×10–6 эВ, что эквивалентно 0,00000000000000000000000000000000000001 грамм (10–38 гр).

Подробнее о результатах работы можно узнать из препринта статьи LHCb.

Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ являются соавторами этого открытия.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт