Пресс-центр

LHCb объявил об открытии зависящего от времени нарушения CP-инвариантности для Bs0-мезонов

В эти дни в Японии проходит большая международная конференция по физике прелестного (b) кварка – BEAUTY-2020. Эксперимент LHCb (один из лидеров в этой области исследований) представил новый интересный результат. Экспериментаторы заявляют об открытии зависящего от времени нарушения CP-инвариантности для B_s⁰-мезонов.

Мы уже не раз писали об исследованиях нарушения CP-инвариантности для различных частиц (1, 2, 3, 4, 5). Эти работы важны для того, чтобы приблизится к пониманию механизма возникновения барионной асимметрии видимой части Вселенной. На сегодняшний день открыты лишь нарушения в кварковом секторе Стандартной модели физики элементарных частиц (СМ). За эти нарушение отвечает неустранимая комплексная фаза матрицы кваркового смешивания (матрица Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, ККМ-матрица). Это свойство ККМ-матрицы экспериментально проявляется в нескольких ипостасях:

1. нарушение в распадах адронов, так называемое прямое нарушение CP-инвариантности, заключающееся в том, что вероятность распада для частиц по сопряженным каналам распада различна (вероятность распада h → ab не равна вероятности распада h → ab);
2. косвенное нарушение CP-инвариантности в процессах смешивания электрически-нейтральных мезонов (вероятность перехода h⁰ → h⁰ не равна вероятности обратного процесса h⁰ → h⁰);
3. нарушение при интерференции прямого и косвенного механизмов нарушения CP-четности.

Первый эффект не зависит от времени, прошедшего с момента образования частицы, а вот второй и третий зависят.

Известно четыре «долгоживущих» нейтральных мезона, для которых наблюдаются осцилляции (спонтанные превращения частица ↔ античастица): K⁰ (состоит из sd кварков), D⁰ = {cu}, B⁰ = {bd) и B_s⁰ = {bs}. До осени 2020 года времязависящее CP-нарушение было открыто только для K⁰ и B⁰ мезонов.

B_s⁰ мезоны – очень интересные частицы. Период осцилляции bs ↔ bs очень мал по сравнению со средним временем жизни мезона. Образовавшись, такой мезон в среднем несколько раз «меняет» свой аромат. Чтобы зарегистрировать проявление CP-нарушения, связанного с смешиванием нейтральных мезонов, необходимо установить аромат частицы, родившейся изначально, узнать был это B_s⁰ или анти-B_s⁰ мезон.

Вопрос подсчета родившегося числа частиц и античастиц решается при помощи процедуры мечения (таггирования, от англ. tag – помечать) начального состояния. В новой работе LHCb использовались два метода таггирования: прямой (same side tagging) и вторичный (opposite side tagging). Суть прямого метода состоит в том, что при взаимодействиях протонов рождается много возбужденных состояний, которые тяжелее B_s⁰ и практически мгновенно распадаются под действием сильного взаимодействия на B_s⁰ мезон и заряженную частицу. Трек заряженной частицы можно зарегистрировать, узнать ее заряд и определить аромат возбужденного состояния. Вторичный метод основан на регистрации аромата античастицы, родившейся в паре с B_s⁰ (или анти-B_s⁰). Подчеркнём, что в обоих случаях используется инвариантность сильного взаимодействия относительно аромата кварков. Для прямого таггинга аромат сохраняется в распаде, для вторичного — в процессе рождения пары b–анти-b. Схематично принцип процедуры мечения частиц представлен на рисунке 1.

Эффективность работы процедуры размечивания начального состояния можно продемонстрировать на примере регистрации многочастичных конечных состояний, например, распадов типа B_s⁰ → D_s^–π^–π⁺π⁺. В таких распадах однозначно определяется аромат конечного состояния и очень хорошо выделяется точка распада, и, как следствие, точно восстанавливается время жизни для частицы-кандидата. Для размеченных начальных ароматов осцилляционная картина проявляет себя во всей красе (см. рисунок 2).

Для поиска эффектов нарушения CP-инвариантности, зависящего от времени, физики использовали CP-четные конечные состояния. Экспериментально измерялась зависящая от времени асимметрия распадов мезонов и антимезонов B⁰ → π^–π⁺ и B_s⁰ → K^–K⁺. Если эта величина меняется со временем, то можно говорить о существовании нарушения CP-инвариантности, которое также зависит от времени. Для первого распада B⁰ -мезона эффект хорошо известен. Период осцилляции асимметрии порядка 13 пс. Для B_s⁰ мезонов этот феномен экспериментально обнаружен впервые! Период осцилляции составляет всего лишь треть пикосекунды (см. рисунок 3). Это очень маленькое время. Например, свет преодолевает за такой промежуток времени всего лишь одну десятую долю миллиметра. Регистрация подобных эффектов возможна из-за эффектов специальной теории относительности. Заявленная статистическая значимость открытия составляет шесть стандартных отклонений.

Подробнее об открытии можно узнать из презентации LHCb на конференции BEAUTY-2020, а также из слайдов и записи специального семинара, прошедшего в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН).

Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb. Они являются полноправными соавторами данного открытия.