В конце марта коллаборация LHCb (ЦЕРН) объявила об обнаружении нарушения
симметрии между свойствами материи и антиматерии (СP-cимметрии) в
распадах D0-мезонов.
В коллаборацию входит несколько российских институтов, в том числе Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), а также Новосибирский государственный университет (НГУ). «Чердак» побеседовал о мезонах, кварках, балансе частиц и античастиц во Вселенной и о том, зачем вообще физики ищут все это, с членом-корреспондентом РАН, заместителем директора по научной работе ИЯФ СО РАН, деканом физического факультета НГУ и членом коллаборации LHCb Александром Бондарем.
[Ch.]: В популярной литературе
СР-симметрию (произносится "ЦП симметрия") часто называют просто
балансом между материей и антиматерией без каких-либо пояснений.
Расскажите, пожалуйста, что именно физики понимают под этим термином?
[АБ]:
Дело в том, что Стандартная модель (СМ), которая описывает
взаимодействие всех элементарных частиц, обладает определенной
дискретной симметрией*. Таких симметрий существует несколько, а
CP-симметрия или комбинированная четность - это сочетание С-(зарядовой) и
Р- (пространственной) четности. Зарядовое сопряжение (операция по
замене частицы на античастицу) предполагает, что к античастицам
физические законы применимы точно так же, как и к обычным частицам.
Пространственную четность часто сравнивают с отражением в зеркале: в
мире, отраженном в зеркале, все физические законы действуют точно так
же. Обе эти симметрии справедливы для электромагнитного и сильного
взаимодействий, но не для слабого.
*) В физике различают
непрерывные и дискретные преобразования. Непрерывные преобразования -
это преобразования, в которых возможны бесконечно малые изменения.
Например, повороты в пространстве. Поворот можно сделать на бесконечно
малый угол. Пример дискретного преобразования отражение в зеркале.
Невозможно "чуть-чуть" отразить в зеркале. Уравнения, описывающие
взаимодействия элементарных частиц, подчиняются определенным симметриям
при непрерывных и дискретных преобразованиях.
[Ch.]: А что не так со слабым взаимодействием?
[АБ]:
Скажем так, вначале физики верили в то, что все взаимодействия
инвариантны относительно и пространственной, и зарядовой четности. Эта
вера основывалась на умозрительных представлениях об устройстве
взаимодействий, ведь С и Р -симметрии очень хорошо выполняются для
электромагнитных взаимодействий, которые были хорошо изучены
теоретически и экспериментально на тот момент. Ученым казалось, что это и
есть некий всеобщий закон природы, однако по мере развития эксперимента
и получения новых данных о свойствах частиц, выяснилось, что это не так
в случае слабого взаимодействия, а слабое взаимодействие приводит к
бета-активности ядер, и достаточно широко проявляет себя в природе. В
конце концов экспериментальным путем удалось установить, что в слабом
взаимодействии нарушается одновременно - как Р-, так и С-четность.
[Ch.]: Почему это происходит?
[АБ]:
Это вопрос достаточно сложный, и ответ него, по-моему, пока не знает
никто. Можно сказать, что так происходит, потому что так происходит, и
это будет правильно. Но не исключено, что есть и какая-то более глубокая
причина. Возможно, она связана с тем, что в слабых взаимодействиях
участвуют не только кварки, но и нейтрино. Судя по всему, свойства
нейтрино и определяют устройство слабого взаимодействия. Дело в том, что
нейтрино существуют с определенной спиральностью**: у нас есть левое
нейтрино и правое антинейтрино, а вот правого нейтрино в природе не
обнаружено. Возможно, так происходит из-за того, что, например, правое
нейтрино обладает очень большой массой, и поэтому при наших (небольших)
энергиях, в которых мы реально наблюдаем эти явления, симметрия между
левым и правым нарушена. Но, возможно, что при очень больших энергиях,
где правое нейтрино может считаться безмассовым, эта симметрия
восстанавливается. Для чего это сделано в природе - есть подозрение, что
это нужно для того, чтобы в конце концов нарушить симметрию между
частицами и античастицами.
**) Спиральность - характеристика
состояния элементарной частицы. Это проекция спина (собственного момента
количества движения частицы) на направление движения. Используется для
описания частиц, движущихся со скоростью света или близкой к ней. Если
спин направлен против движения частицы, спиральность отрицательная
(левая), если по направлению движения - положительная (правая).
) В физике масса и энергия связаны знаменитым соотношением E=mc2. E-энергия, m - масса, с - скорость света.
[Ch.]:
Зачем вообще нужно такое нарушение симметрии? Почему во Вселенной
наблюдается большая диспропорция в соотношении частиц и античастиц?
[АБ]:
Мы точно знаем, что в момент образования Вселенной число частиц и
античастиц совпадало с очень высокой точностью - лучше, чем одна
миллиардная, однако потом, когда основная масса частиц и античастиц
проаннигилировала, остались только частицы. Если бы в природе
существовала абсолютная симметрия между свойствами частиц и античастиц, в
настоящий момент наша Вселенная представляла бы из себя скорее фотонный
газ. Не было бы ни звезд, ни планет - только скучный газ из фотонов. В
действительности, конечно, это не так. Физики очень не любят нарушения
симметрий, потому что в уравнения, описывающее взаимодействие частиц,
трудно их ввести, не нарушив самосогласованности теории.
Для этого
должны быть какие-то специальные механизмы нарушения симметрии. Физики
их ищут. Обнаруженное в начале 60-х годов, нарушение СР-симметрии в
распадах нейтральных странных мезонов (каонов) послужило очень важным
прорывом в нашем понимании природы образования наблюдаемой асимметрии
Вселенной, асимметрии отношения частиц и античастиц. С одной стороны,
экспериментальное обнаружение асимметрии создало некую надежду, что мы
поймем, разберемся со временем, с чем связана наблюдаемая асимметрия, но
за эти вот уже 55 лет окончательного понимания не возникло. Хотя,
конечно, физики, природу нарушения СР-симметрии понимают намного лучше,
чем раньше.
[Ch.]: Сначала нарушения СР-симметрии обнаружили в распадах каонов, потом - в распадах B-мезонов...
[АБ]:
На самом деле, между этими событиями произошло довольно много всего.
Вначале очень важный шаг был сделан японскими физиками Макото Кобаяши и
Тосихидэ Маскава. Они предложили схему, в которой нарушение СР-симметрии
в Стандартной модели возникает, как они тогда говорили, косвенно:
нельзя ведь просто так нарушить симметрию, хорошо проверенную теорией -
требовалось время и очень смелые идеи и предположения. В итоге Кобаяши и
Маскава предположили, что кварков в природе существует не три, как на
тот момент было известно экспериментально, а шесть, и эта смелая идея
позволила разрешить проблему модернизации Стандартной модели таким
образом, чтобы в ней возникало СР-нарушение в слабых распадах частиц.
Само по себе это предположение блестяще подтвердилось уже в 1974 году,
когда был обнаружен с-кварк, и потом еще раз -в 1977 году, с
обнаружением b-кварка.
[Ch.]: Как именно физикам удалось проверить теорию СР-нарушения в слабых распадах?
[АБ]:
Изначально было понятно, что эта идея правильная, но для того, чтобы ее
окончательно проверить, физикам пришлось придумать и построить новый
тип установок на встречных пучках - так называемые b-фабрики, установки с
ассиметричными по энергии встречными пучками. Они были построены в
Японии (КЕКВ, лаборатория КЕК) и в США (PEP-II, лаборатория SLAC). В
результате почти десяти лет работы этих коллайдеров удалось сначала
обнаружить, а потом и довольно хорошо изучить различные проявления
СР-нарушения в распадах B-мезонов. Наше понимание Стандартной модели и
СР-нарушений в ней значительно продвинулось вперед в результате этих
исследований. Достаточно сказать, что в распадах В-мезонов СР-нарушение
обнаружили в 2001 году, а новые явления обнаруживаются до сих пор -
В-фабрики продолжают выдавать результаты на этом пути. Установка в США
уже не работает, но на японской SuperKEKB недавно завершилась
модернизация иначался новый эксперимент BelleII, в котором также
принимают участие ИЯФ СО РАН и НГУ.
[Ch.]: Недавно коллаборация LHCb, в которую тоже входят Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН), г.Новосибирск" href="http://www.inp.nsk.su/">ИЯФ СО РАН и НГУ), г. Новосибирск " href="http://www.nsu.ru/">НГУ,
объявила об обнаружении СР-нарушения в распадах D0-мезонов, которые
состоят из очарованных (с)кварков и верхних (u) антикварков.
[АБ]:
LHCb - это специализированный детектор для исследования СР-нарушений в
распадах мезонов на Большом адронном коллайдере. Что касается недавно
объявленного результата - это очередной шаг к пониманию этого явления. В
дополнение к странным (s) и прелестным (b) кваркам, теперь есть
наблюдение СР-нарушения в распадах очарованных (c) кварков. Стандартная
модель допускает СР-нарушения в таких распадах, но предсказывает, что
это нарушение должно быть существенно меньше, чем в распадах прелестных
(b) кварков.
[Ch.]: А что значит - меньше? Как вообще можно измерить симметрию и ее нарушение?
[АБ]:
По абсолютной величине. Асимметрия - это безразмерная величина, ее
нужно сравнивать с единицей. Эффекты СР-нарушения в распадах нейтральных
каонов - это примерно 0,1 процента. В то же время в распадах прелестных
частиц (мезонов и барионов), содержащих b-кварк, такие эффекты могут
достигать величины порядка единицы - до 100 процентов. Относительно
распадов очарованных частиц Стандартная модель, предсказывает, что в
разрешенных распадах, когда с-кварк превращается в s-кварк, СР-нарушения
ожидаются очень слабыми. Но в то же время в так называемых запрещенных
или "кабиббо-подавленных" распадах, когда с-кварк в результате слабого
взаимодействия превращается в d-кварк, можно ожидать эффектов на уровне
0,1 процента. И наблюдаемый сейчас результат по масштабу согласуется со
Стандартной моделью.
[Ch.]: Получается, данные подтверждают теорию, которая уже была заложена в Стандартной модели. Что делать с этим дальше?
[АБ]:
Я бы не говорил так однозначно, что данные подтверждают теорию, лучше
сказать, что наблюдаемые СР-нарушения в распадах очарованных мезонов не
противоречат ожиданиям Стандартной модели. Но для того чтобы проверить,
действительно ли наши данные согласуются с ожиданиями Стандартной
модели, требуется большая работа- более точные эксперименты по поиску
проявлений таких же эффектов в других распадах. Следующий шаг - это
прецизионные измерения всех этих эффектов в еще более точных
экспериментах, и здесь уже очень пригодилась бы, например, наша будущая
Супер С-тау фабрика.
Справка "Чердака": Супер С-Тау фабрика - это электрон-позитронный коллайдер, который планируется построить на территории ИЯФ СО РАН.
Основная цель экспериментов на будущей установке - изучение процессов
рождения очарованных кварков и тау-лептонов, поиск новых физических
эффектов, не описываемых Стандартной моделью.
В 2011 году
Правительственная комиссия отобрала шесть проектов класса мега-сайенс
для реализации на территории Российской Федерации (PIK, NICA, IGNITOR,
ИССИ-4, XCELS и Супер С-Тау фабрика). В 2017 году проект Супер С-Тау
фабрики в числе других проектов включен в План реализации Стратегии
научно-технологического развития России. Он также вошел в число научных
проектов, планируемых к реализации в рамках программы развития
Новосибирского научного центра, известной как Академгородок 2.0.
Другое
направление, в котором, как мне кажется, наука будет развиваться в
ближайшее время - это поиск нарушения СР-симметрии в осцилляциях
нейтрино*. Это совсем другой класс экспериментов, сейчас они проводятся
на искусственно созданных пучках нейтрино, -на установках в Японии и в
США. Там стоит задача обнаружить или, по крайней мере, ограничить
величину наблюдаемого нарушения СР-симметрии в осцилляциях. Это тоже
интересная задача, которая существенно улучшит наше понимание таких
явлений. Не исключено, что в перспективе мы имеем шанс лучше понять
механизм возникновения симметрии вещество/антивещество, в зависимости от
тех результатов, которые мы будем получать.
*) В природе
существует три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау) и
соответственно три анти-нейтрино. В 1998 году в ходе измерений на
детекторе SuperKamiokande (Япония) впервые было обнаружено, что при
распространении в пространстве один тип нейтрино переходит в другие два.
Это явление было названо осцилляциями нейтрино.
[Ch.]: Если понять механизм возникновения вещества и антивещества, возможно будет объяснить существующий между ними дисбаланс?
[АБ]:
Сложно сказать. По крайней мере, изучение нарушения СР-симметрии и
свойств элементарных частиц необходимо для того, чтобы понимать, можно
ли этим объяснить то, что мы наблюдаем во Вселенной, или нет.
[Ch.]: А если вдруг выяснится, что нельзя?
[АБ]:
Это интересно - это будет означать, что нарушение симметрии
вещество/антивещество во Вселенной произошло по другим причинам. И
причины эти могут быть достаточно экзотическими и связанными не со
свойствами вещества, а, может быть, с какими-то механизмами образования
Вселенной, которые мы пока не знаем или не понимаем.
[Ch.]: То есть нужно будет искать дальше, где-то в другом месте?
[АБ]:
Конечно, потому что это очень важный вопрос. Если мы не знаем на него
ответа, то мы, в общем-то, не понимаем действующих в природе механизмов,
которые привели к образованию наблюдаемого мира. Это всегда будет
вызывать неудовлетворенность.
Анастасия Папина
"Без нарушения CP-симметрии не было бы ни звезд, ни планет - только скучный газ из фотонов"