FAQ: CP-нарушение в кварках

История физики тяжелых кварков, которой сейчас занимается большая часть экспериментаторов в физике высоких энергий, берет начало в 1947 году, когда были обнаружены частицы, которые называли «странными».

Почему эти частицы стали называть странными? Потому что они рождались как обычные пи-мезоны с нормальным сечением, жили долго и, самое главное, рождались парами. Это дало повод Пайсу придумать квантовое число, которое называлось «странностью». Теперь странность приписывается кваркам, хотя раньше приписывалась адронам.

1. Несохранение четности

Начавшаяся тогда история тяжелых кварков полна драматических событий. Первое драматическое событие произошло в 1957 году: вдруг обнаружили, что часть из этих странных частиц, имеющих одну и ту же массу, распадается либо на три пи-мезона, либо на два пи-мезона. Это характерный признак того, что у этих частиц разная пространственная четность. Пространственная четность — это операция по отражению системы координат (x отражается на -x).

Эти две частицы имели одинаковые массы, одинаковое время жизни, это так называемая тау-тета проблема. Такое вырождение было совершенно непонятным.

Тогда впервые Ли и Янг выдвинули гипотезу о несохранении четности. До этого момента вся наука жила идеями симметрии, а тут такая фундаментальная вещь, как отражение пространства, нарушалась.

Это было подтверждено через некоторое время. На самом деле бета-распад, то есть распад частиц с участием слабого взаимодействия, наблюдался и до этого, но никто не подозревал, что есть такая важная делать, как нарушение четности.

После этого Ву провела эксперимент с удержанием в гелии поляризованного кобальта с определенным направлением вектора спина. Наблюдалось угловое распределение электронов по отношению к этому вектору, оно было асимметрично. Такого не должно было возникать в нормальной теории с сохранением пространственной четности.

Это было первое событие ― доказательство нарушения пространственной четности. После этого плодотворно начала развиваться четырехфермионная теория, став VA-теорией (вектор минус аксиальный вектор).

2. Комбинированная четность

В этой VA-теории затем возникла интересная ситуация: Ландау и Окунь показали, что пространственная четность в таких реакциях нарушается, но CP (комбинированная четность) сохраняется.

Что такое комбинированная четность? Вы делаете отражение координат и заменяете частицу соответствующей античастицей. То есть если наблюдать угловые распределения продуктов распада поляризованного мю-мезона, а потом то же самое с античастицей, то угловые распределения будут другие.

Но если вы дополнительно сделаете пространственное отражение, то эти угловые распределения совпадут. Это было замечательно, потому что в этой VA-теории появилось сохранение CP-симметрии.

3. Собственные и смешанные состояния

Это продержалось до тех пор, пока экспериментаторы Кронин и Фитч не изучили распады нейтральных К-мезонов. Дело в том, что эти странные частицы обладали еще одним удивительным свойством — они могли смешиваться (смесь К, анти-К), и реально физическим состоянием были полусумма и полуразность.

Если вы возьмете два одинаковых маятника, связанных ниткой, и качнете один маятник, то через некоторое время начнет качаться второй. А если вы качнете второй, то затем начнет качаться первый.

Собственные состояния ― это либо разведенные в разные стороны маятники, либо оттянутые в одну сторону. Точно так же в системе нейтральных К-мезонов есть состояния К-ноль и анти-К-ноль. Они обладают определенной CP-четностью. Это приводило к тому, что одно состояние распадалось на два пи-мезона, второе — обязательно на три. Распад на два пи-мезона происходит очень быстро, поэтому на большом расстоянии должны наблюдаться три пи-мезона.

Кронин сделал большую вакуумную трубу, чтобы эти К-мезоны летели в ней, и на гигантском расстоянии по сравнению с длиной распада этих К-мезонов увидел двухпионную моду. Это могло быть только в одном случае ― если комбинированная четность нарушается.

4. Смешивание поколений кварков

Кварки собираются в дублеты, в пары: верхний-нижний ud, cs, tb. Для этих пар существует теория, которая называется Стандартная модель. Стандартная модель работает для каждой пары независимо. Неважно, было бы двадцать этих пар (поколений) или десять. Она работает и в одном поколении, в котором мы живем (u- и d-кварк). Промежуточный векторный бозон W обеспечивает переходы внутри каждого поколения: d → u, с → s, t → b.

Но если это было так, то в атмосфере летали бы совершенно спокойно К-мезоны, которым некуда было бы распадаться. Потому что пару странному кварку составляет очарованный кварк, а он в три раза тяжелее странного. Не распадался бы и b-кварк, так как его партнер по дублету, t-кварк, сильно тяжелее.

Дело в том, что кварки, которые мы наблюдаем, когда сталкиваем протоны в сильных взаимодействиях, чуть-чуть другие, чем те, которые расположены в этих дублетах. В дублетах они смешаны друг с другом, или, как говорят, слегка повернуты.

Если бы не было этого поворота, тогда бы случилось страшное: у нас были бы ядра не только из протонов и нейтронов, но еще и из других частиц, например из барионов, содержащих b-кварки. На самом деле все устроено так, что они потихонечку переходят друг в друга. Эти поколения отделены друг от друга малостью. То есть первое поколение слабо смешано со вторым, второе слабо смешано с третьим.

Итак, все тяжелые кварки распадаются в более легкие, и конечным результатом являются кварки первого поколения, из которых устроен наш мир.

5. Матрица Кабиббо — Кобаяши — Маскава

Это смешивание можно математически изобразить в виде специальной матрицы поворота, которая называется матрица Кабиббо — Кобаяши — Маскава. Эта матрица имеет три угла поворота, как любая матрица поворота в трехмерном пространстве. Но в ней еще есть одна дополнительная степень свободы ― комплексная фаза. Эта комплексная фаза отвечает за CP-нарушение.

Если бы поколений было всего лишь два, то такого не получилось бы. CP-нарушающая фаза впервые возникает, когда число поколений равняется трем.

Сколько этих поколений? В опыте, который сделан на фабрике Z-бозонов в LEP, подсчитывали число нейтрино. Каждое поколение кварков сопровождается своей парой: электрон и нейтрино, тау-лептон и его нейтрино, мюон и его нейтрино. Измеренное число поколений нейтрино равняется трем, хотя никто не исключал поколений с гораздо более тяжелыми нейтрино.

6. Симметрия и унитарный треугольник

Другой способ определить число поколений ― это матрица смешивания. Если имеется только три поколения, то оказывается, что из чисел, из которых составлена эта матрица, можно составить так называемый унитарный треугольник. Если фаза равна нулю, этот унитарный треугольник вырождается в одну линию. Если фаза не равна нулю, то он остается нормальным треугольником. Длина сторон определяется вероятностями соответствующих распадов, например, B-мезонов. А фаза определяется по асимметрии. Если же число поколений кварков больше, чем 3, то такой треугольник составить невозможно.

Как измерить нарушение CP-симметрии в эксперименте? Возьмем B-мезоны и рассмотрим состояние, в котором есть определенная зарядовая четность, например пси-частица с К-мезоном. B-мезон распадается на это состояние. А теперь переворачиваем и делаем анти-B, смотрим, какова вероятность в этот же канал распасться античастице. Оказывается, эти вероятности слегка отличаются. По этому легкому различию вы можете определить величину CP-нарушения.

7. CP-нарушение в ранней Вселенной

Зачем вообще CP-нарушение нужно? Почему такой обостренный интерес? Дело в том, что в условиях, которые были сформулированы в свое время Сахаровым для расширяющейся Вселенной, CP-нарушение играло существенную роль. Оно должно было обязательно быть, чтобы возникла барионная асимметрия Вселенной, чтобы возник тот мир, в котором мы живем.

К сожалению, те CP-нарушающие фазы, которые меряются сейчас в распадах на B-фабриках, на ускорителе в LHC, малы по сравнению с той, которая нужна была бы, для того чтобы сделать мир таким, какой он есть.

При планировании LHC было две задачи. Первая задача — это поиск бозона Хиггса. Второе — это CP-нарушение. Но японцы и американцы опередили европейцев, поэтому эта часть уже не такая актуальная, но все еще важная для исследований. Один из детекторов БАК, LHCb, занимается в том числе измерением CP-нарушающих эффектов.