Новый расчет уточняет различие материи с антивеществом

Международное сотрудничество физиков-теоретиков, включая ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) и Исследовательского центра RIKEN-BNL (RBRC), опубликовало новый расчет, имеющий отношение к поиску объяснения преобладания материи к антивеществу в нашей Вселенной.

В коллаборацию, известную как RBC-UKQCD, также входят ученые из CERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц), Колумбийского университета, Университета Коннектикута, Эдинбургского университета, Массачусетского технологического института, Университета Регенсбурга и Университета Саутгемптон. Они описывают свой результат в статье, которая будет опубликована в журнале Physical Review D и отмечена как «предложение редактора».

Ученые впервые заметили небольшое различие в поведении вещества и антивещества, известное как нарушение «CP-симметрии», при изучении распада субатомных частиц, называемых каонами, в эксперименте, получившем Нобелевскую премию в Брукхейвенской лаборатории в 1963 году.

Вскоре после этого физика элементарных частиц была собрана воедино, и понимание того, согласуется ли наблюдаемое CP-нарушение в распадах каонов со Стандартной моделью, оказалось неуловимым из-за сложности требуемых вычислений.

Новый расчет дает более точное предсказание вероятности распада каонов на пару электрически заряженных пионов по сравнению с парой нейтральных пионов. Понимание этих распадов и сравнение прогнозов с более свежими экспериментальными измерениями, выполненными в ЦЕРНе и Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, дает ученым возможность проверить крошечные различия между веществом и антивеществом и найти эффекты, которые невозможно объяснить Стандартной моделью.

Новый расчет представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущим результатом группы, опубликованным в Physical Review Letters в 2015 году.

На основе Стандартной модели он дает диапазон значений для так называемого «прямого нарушения CP-симметрии» в распадах каонов, что согласуется с экспериментально измеренными результатами. Это означает, что наблюдаемое CP-нарушение теперь, насколько нам известно, объясняется Стандартной моделью, но неопределенность в прогнозе нуждается в дальнейшем улучшении, поскольку также есть возможность выявить любые источники асимметрии вещества / антивещества, лежащие за пределами описания нашего мира текущей теорией.

«Даже более точный теоретический расчет Стандартной модели может все же выходить за пределы экспериментально измеренного диапазона. Поэтому очень важно, чтобы мы продолжали наш прогресс и уточняли наши расчеты, чтобы мы могли предоставить еще более надежную проверку наших фундаментальных принципов понимания», — говорят ученые.

«Необходимость различать материю и антивещество заложена в современной теории космоса», — сказал Норман Крайст из Колумбийского университета. «Наше текущее понимание таково, что нынешняя Вселенная была создана с почти равным количеством вещества и антивещества.

-За исключением крошечных эффектов, изучаемых здесь, материя и антивещество должны быть идентичны во всех отношениях, помимо обычных вариантов, таких как присвоение отрицательного заряда одной частице и положительный заряд его античастицы. Некоторая разница в том, как работают эти два типа частиц, должно быть, склонила чашу весов в пользу материи перед антивеществом», — сказал он.

Любые различия в материи и антивеществе, которые наблюдались на сегодняшний день, слишком слабы, чтобы объяснить преобладание материи в нашей нынешней Вселенной.

Обнаружение значительного несоответствия между экспериментальным наблюдением и предсказаниями, основанными на Стандартной модели, потенциально может указать путь к новым механизмам взаимодействия частиц, которые выходят за рамки нашего нынешнего понимания — и которые ученые надеются найти, чтобы объяснить этот дисбаланс.

Во всех экспериментах, которые показывают разницу между материей и антивеществом, участвуют частицы, состоящие из кварков, субатомных строительных блоков, которые посредством сильного взаимодействия связываются с образованием протонов, нейтронов и атомных ядер, а также менее знакомые частицы, такие как каоны и пионы.

«Каждый каон и пион состоят из кварка и антикварка, окружены облаком виртуальных кварк-антикварковых пар и связаны вместе носителями силы, называемыми глюонами», — объяснил Кристофер Келли из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Поэтому расчеты поведения этих частиц на основе Стандартной модели должны включать все возможные взаимодействия кварков и глюонов, как это описано в современной теории сильных взаимодействий, известной как квантовая хромодинамика (КХД).

Кроме того, эти связанные частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это означает, что расчеты также должны включать принципы теории относительности и квантовой теории, которые регулируют такие взаимодействия частиц со скоростью, близкой к световой.

Из-за огромного количества задействованных переменных это одни из самых сложных вычислений во всей физике.

Вычислительная проблема

Чтобы решить эту проблему, теоретики использовали вычислительный подход, называемый решеточной КХД, который «помещает» частицы в четырехмерную пространственно-временную решетку (три пространственных измерения плюс время).

Эта решетка позволяет им отображать все возможные квантовые пути, по которым начальный каон распадается на два пиона. Результат становится более точным по мере увеличения количества узлов решетки. Ученые отметили, что «интеграл Фейнмана» для представленных здесь вычислений включал интегрирование 67 миллионов переменных!

Эти сложные вычисления были выполнены с использованием новейших суперкомпьютеров. Первая часть работы, создание образцов или снимков наиболее вероятных кварковых и глюонных полей, была выполнена на суперкомпьютерах, расположенных в США, Японии и Великобритании.

Второй и наиболее сложный шаг по извлечению реальных амплитуд распада каонов был выполнен в Национальном вычислительном центре исследований в области энергетики (NERSC), в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США.

Но использовать самые быстрые компьютеры недостаточно; эти расчеты возможны на этих компьютерах только при использовании высокооптимизированных компьютерных программ, разработанных авторами для расчетов.

«Точность наших результатов не может быть значительно увеличена простым выполнением дополнительных вычислений», — говорят физики.

«Вместо этого, чтобы ужесточить нашу проверку Стандартной модели, мы теперь должны преодолеть ряд более фундаментальных теоретических проблем. Наше сотрудничество уже добилось значительных успехов в решении этих проблем, а также улучшило вычислительные методы. Мы ожидаем, что в ближайшие три-пять лет мы добьемся значительно более высоких результатов».

R. Abbott et al, Direct CP violation and the ΔI=1/2 rule in K→ππ decay from the standard model, Physical Review D (2020). DOI: 10.1103/PhysRevD.102.054509