Иллюстрация от CERN, LHCb Collaboration. Недано группой исследователей путем прямого эксперимента было установлено явление осцилляций квантовой системы типа «частица-античастица» в очень простых состояниях нейтрального очарованного мезона. В ходе этого исследования был определен диапазон значений массы и ширины этих состояний. Данные о распаде D0 → K0Sπ+π−, полученные в результате протон-протонных столкновений на Большом адронном коллайдере, были подвергнуты детальному анализу. Результаты исследования направлены для публикации в журнале Physical Review Letters. Понятие «квантовая суперпозиция» традиционно связывают с экспериментами, проводимыми на неэкзотической материи, к примеру, фотонах, атомах и искусственных атомоподобных системах. Обычно речь идет о кубите – системе из двух состояний, способной образовать суперпозицию. В данном случае речь идет о суперпозиции состояний одного и того же объекта: частицы или атома. В физике существуют примеры, демонстрирующие возможность суперпозиции между состояниями «частица-античастица», то есть фактически между разными частицами.

Разделение диаграммы Далитца, соответствующей распаду D⁰ K⁰_Sπ⁺π⁻, на восемь положительных и восемь отрицательных областей. Каждый цвет обозначает свою область. CERN, LHCb Collaboration

Другими словами, измеряя свойства такой частицы, мы можем с некоторой вероятностью встретить ее либо в обычном состоянии, либо в состоянии античастицы. Одной из таких частиц оказался нейтральный очарованный мезон (D⁰-мезон), состоящий из одного очарованного кварка и одного верхнего  антикварка. Физики предполагали, что D⁰-мезон по мере своего распространения должен постоянно превращаться из частицы в античастицу и обратно (т.е. участвовать в нейтральных осцилляциях), но свидетельств этому до недавнего момента обнаружено не было.

В своем новом исследовании коллаборация детектора LHCb Большого адронного коллайдера представила результаты анализа более чем 30 миллионов событий распада D⁰ → K⁰_Sπ⁺π⁻, зафиксированных с 2016 года по 2018 год в протон-протонных столкновениях, который доказывает, что осцилляции D⁰-мезона на самом деле имеют место. Учитывая возможные нарушения CP-инвариантности в процессе перемешивания и распада, физики смогли достаточно точно оценить разницу в массах и ширинах для собственных суперпозиционных состояний, которая превысила семь стандартных отклонений.

CP-инвариантность – это свойство физической системы переходить саму в себя при одновременном отзеркаливании и замене всех частиц на античастицы. Долгое время считалось, что никакие взаимодействия не могут ее нарушить, однако в середине XX века выяснилось в процессах с участием слабого взаимодействия такое иногда происходит. В конечном итоге на смену CP-инвариантности пришла CPT-инвариантность, где к симметриям была добавлена инверсия времени, и эта инвариантность наиболее строгая.

Тем не менее физики продолжают активно изучать нарушения CP-инвариантности, в том числе и в процессах нейтральных осцилляций. В частности, ученые считают, что превращение частиц в античастицы и наоборот может происходить с разной скоростью. Такая асимметрия получила название косвенного нарушения CP-инвариантности. Оказалось, что можно количественно оценить эти нарушения, анализируя продукты распада осциллирующих частиц, что и было сделано в новой работе с D⁰-мезоном.

Для этого авторы использовали модельно-независимый метод анализа диаграмм Далитца, заключающийся в представлении их в виде непересекающихся областей, в пределах которых параметры перемешивания состояний примерно постоянны. В отсутствие нарушения CP-инвариантности получающееся разбиение должно быть антисимметрично относительно биссектрисы равных масс. Для каждой пары областей, зеркальных относительно биссектрисы, физики посчитали отношения чисел их событий при разных длительностях распада мезона. Такой подход позволил провести анализ без необходимости детализации всего процесса, который довольно сложен, поскольку D⁰-мезон распадается сразу на три частицы.

Анализ показал, что поведение рассчитанных величин может быть объяснено только в том случае, если оба суперпозиционных состояния мезона будут обладать разными массами, отличающимися всего на 10^-41 килограмм. Кроме того, аккуратный учет систематических и статистических погрешностей позволил сделать вывод о том, что нарушения CP-инвариантности в процессе перемешивания и распада, играет существенную роль.

Полученные результаты позволят ученым лучше понять то, как возникает асимметрия в переходах «частица-античастица» и наоборот. Возможно, именно эта асимметрия стала причиной того, почему во Вселенной материи гораздо больше, чем антиматерии.

Большой адронный коллайдер – источник все новых и новых открытий. Недавно мы рассказывали, как там обнаружили нарушение универсальности ароматов лептонов и ограничили взаимодействие бозона Хиггса с самим собой.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/