23 марта 2022

В эксперименте на Большом адронном коллайдере рекордное проявление нарушения CP-инвариантности

На проходящей в эти дни конференции Rencontres de Moriond EW эксперимент LHCb, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК), объявил об обнаружении рекордного проявления эффекта нарушения СР-четности в распадах прелестных мезонов. Для одного из регионов фазового объема распад B–-мезона на три электрически заряженных π-мезона происходит в семь раз более интенсивно, чем распад B+ → π+π–π+.

Отличаются ли физические законы, при помощи которых описывается поведение частиц, от тех, что описывают античастицы? Этот вопрос оказывается сильно связан с другим вопросом – различают ли физические законы понятия «право» и «лево». Для гравитации и электромагнетизма это так. Например, если сделать видеозапись какого-то процесса из нашей обычной жизни, затем зеркально её отразить (в физике принято обозначать такую операцию буквой P), то будет невозможно определить, глядя на эти записи, какая из них является первоначальной. Невозможно, если на записи не видны проявления процессов, протекающих под действием слабого взаимодействия (например, бета-распады атомных ядер). Структура слабого взаимодействия такова, что некоторые процессы превращений частиц, проходящие под действием этих сил, протекают иначе, чем соответствующие превращения античастиц. Операцию замены частиц на античастицы обозначают буквой С.

Ярчайший пример нарушения CP-инвариантности недавно обнаружил эксперимент LHCb. Физики экспериментально исследовали процессы распада заряженных прелестных мезонов B– и B+ на три электрически заряженных π-мезона: π–π+π– и π+π–π+, соответственно. Пары мезонов с разными зарядами являются парой частица–античастица. Проанализировав данные, набранные в ходе второго этапа работы БАК, физики обнаружили, что распад B–-мезонов по такому каналу идет примерно на 17% интенсивнее, чем распад B+. Такая асимметрия вероятности распадов носит название прямое нарушение CP-инвариантности.

Эффект прямого CP нарушения может проявляться намного ярче, если наблюдать не за интегральным числом распадов, а за асимметрией в различных точках фазового объема для такого распада. Дело в том, что вклады в трёхчастичное конечное состояние дают амплитуды, соответствующие различным промежуточным резонансам, эффекты интерференции этих амплитуд различны для различных конфигураций импульсов пионов конечного состояния. Если построить асимметрию распадов B–- и B+-мезонов для различных квадратов масс ππ-пар, для некоторых участков такой «карты», наблюдается поразительное усиление асимметрии. Например, распад B–-мезона на три электрически заряженных π-мезона идет в семь раз более интенсивно, чем распад B+ → π+π–π+. На сегодняшний день это самое яркое проявление эффекта прямого CP нарушения.

Проанализированы не только чисто π-мезонные распады типа B → πππ, но и те, где в конечном состоянии проявляются заряженные K-мезоны: B → ππK, B → πKK и B → KKK. Для второго и третьего типов распадов также обнаружены существенные эффекты прямого CP-нарушения.

Подробнее с этими результатами можно познакомиться из заметки на сайте LHCb, презентации результатов на конференции Rencontres de Moriond EW, а также из материалов семинара, прошедшего во вторник в ЦЕРН. Также следует отметить, что сотрудники Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимают активное участие в работе эксперимента LHCb. Свой вклад в эту работу физики ОФВЭ внесли на этапе внутреннего рецензирования научных статей LHCb.