Физики впервые наблюдали асимметрию вещества-антивещества

Физики из коллаборации Большого адронного коллайдера (LHCb) впервые обнаружили в CERN асимметрию вещества и антивещества, известную как нарушение четности заряда (СР), в распадах мезона D⁰, субатомной частицы, состоящей из очарованного кварка и верхнего антикварка.

Термин CP относится к преобразованию, которое меняет частицу с зеркальным отображением ее античастицы.

Известно, что слабые взаимодействия Стандартной модели физики частиц вызывают различие в поведении некоторых частиц и их СР-аналогов, асимметрию, известную как СР-нарушение.

Эта асимметрия является одним из ключевых компонентов, необходимых для объяснения того, почему сегодняшняя Вселенная состоит только из частиц материи, в которой практически отсутствует остаточное присутствие антивещества.

Впервые это явление наблюдалось в 1964 году при распадах частиц, называемых нейтральными К-мезонами, которые содержат странный кварк, а два физика, которые сделали открытие, Джеймс Кронин и Вэл Фитч, были удостоены Нобелевской премии по физике в 1980 году.

Такое открытие стало большим сюрпризом в то время, так как сообщество физиков элементарных частиц твердо верило, что симметрия СР не может быть нарушена.

В начале 1970-х Макото Кобаяши и Тошихиде Маскава поняли, что нарушение СР может быть естественным образом включено в Стандартную модель. Их фундаментальная идея была подтверждена в конечном итоге три десятилетия спустя открытием нарушения CP в распадах нейтральных B-мезонов, которые содержат нижний кварк, в результате сотрудничества BaBar и Belle, что привело к присуждению Нобелевской премии 2008 года по физике Кобаяши и Маскавы.

«Было много попыток измерить асимметрию вещества и антивещества, но до сих пор никто не преуспел. Это веха в исследованиях антиматерии», — сказал профессор Сиракузского университета Шелдон Стоун, член коллаборации LHCb.

Чтобы наблюдать асимметрию СР в мезоне D⁰, физики использовали полный набор данных, предоставленный Большим адронным коллайдером в эксперименте LHCb между 2011 и 2018 годами, для поиска распадов мезона D⁰ и его античастицы, анти-D⁰, в любой из каонов или пионов.

«Поиск этих двух продуктов распада в нашей беспрецедентной выборке частиц D⁰ дал нам необходимую чувствительность для измерения крошечного количества нарушения CP, ожидаемого для таких распадов», — сказала д-р Джованни Пассалева, представитель LHCb Collaboration.

«Измерение степени нарушения затем сводилось к подсчету распадов D⁰ и анти-D⁰ и принятию разницы».

«Мы не видим антивещества в нашем мире, поэтому нам приходится его искусственно производить. Данные этих столкновений позволяют нам картировать распад и превращение нестабильных частиц в более стабильные побочные продукты», — сказал доктор Сиракузского университета Иван Поляков, член Коллаборации LHCb.

Результат имеет статистическую значимость 5,3 стандартных отклонения, превышая порог в 5 стандартных отклонений, используемых физиками элементарных частиц, чтобы заявить об открытии.  «Что делает это исследование уникальным, так это то, что это первый случай, когда кто-то видел, как частицы с очарованными кварками были асимметричными. Это одна из книг по истории», — сказал профессор Шелдон Стоун.

Результат стал важной вехой в истории физики элементарных частиц. С момента открытия D-мезона более 40 лет назад физики элементарных частиц подозревали, что нарушение CP также происходит в этой системе, но только сейчас, по существу, используя полную выборку данных, собранную в ходе эксперимента, LHCb Collaboration наконец-то смог наблюдать эффект.

Результаты были представлены на этой неделе на 54-й конференции Rencontres de Moriond, в презентации семинара CERN и в статье LHCb, которая будет опубликована в журнале Physical Review Letters.