Анализ данных, собранных детектором LHCb в течение первого и второго сеанса работы Большого адронного коллайдера, позволил обнаружить нарушение CP-инвариантности для D⁰-мезонов. Эта симметрия связывает частицы и античастицы, а ее нарушение указывает на фундаментальные различия между этими типами материи. Результаты были представлены на конференции Rencontres de Moriond и опубликованы на сервере документов CERN.

Читать пресс-релиз на сайте ЦЕРН

Фото © ЦЕРН

«Это действительно большой прорыв в физике частиц. С момента открытия D-мезона, что произошло 40 лет назад, мы подозревали, что нарушение CP-инвариантности происходит именно в этой системе. Только сейчас коллаборация LHCb «увидела» этот эффект, проанализировав весь набор данных, собранных экспериментом», — заявил Экхард Элсен, директор ЦЕРН по исследованиям и вычислительной технике.

CP-симметрия, также называемся комбинированной четностью, представляет собой произведение двух преобразований: замены всех зарядов на противоположные и зеркального отражения пространства. Электромагнетизм и сильные взаимодействия являются инвариантными относительно операции CP-преобразования. Это означает, что все подобные процессы не меняются при такой трансформации. Однако эта симметрия может нарушаться при явлениях с участием слабого взаимодействия. Впервые нарушение CP-симметрии обнаружили в 1964 году при изучении нейтральных каонов, за что была вручена Нобелевская премия по физике в 1980 году. Теоретическое решение было выдвинуто в работах Никола Кабиббо, Макото Кобаяси и Тосихидэ Маскава. Они предложили естественную модификацию уравнений, которые потом стали частью Стандартной модели физики частиц. Однако из их идеи следовало существование еще одного — третьего — поколения кварков, которое на тот момент известно не было. Первый кварк третьего поколения был обнаружен в 1977 году, но наиболее полноценным подтверждением теории стало обнаружение второго семейства частиц, демонстрирующих нарушение CP-инвариантности — B-мезонов, в состав которых входит b-кварк из третьего поколения. Это удалось выяснить только в XXI веке, что также было отмечено Нобелевской премией в 2008 году.

Нарушение CP-симметрии необходимо в космологии для объяснения отсутствия заметного количества антиматерии в наблюдаемой Вселенной. Однако измеренное в физике частиц отклонение очень мало, CP-симметрия практически выполняется, ее нарушения не хватает для описания дисбаланса между материей и антиматерией в окружающем мире.

Ранее нарушение устанавливалось только для частиц, состоящих из кварков с зарядом -1/3: странные s-кварки входят в состав каонов, а прелестные b-кварки — B-мезонов. Также нарушение CP-инвариантности предсказывалось для еще одного типа частиц — D-мезонов, в состав которых входит представитель второго типа кварков с зарядом +2/3 — очарованный c-кварк. В первых данных Большого адронного коллайдера были указания на наличие нарушения при распадах D-мезонов, но полная статистика первого сеанса не подтвердила этого. В новой публикации коллаборации LHCb сообщается, что физикам впервые удалось твердо установить нарушение для этих частиц.

В статье описывается анализ всех собранных между 2011 и 2018 годами данных о распадах D⁰-мезонов (состоят из c и анти-u кварков) и их античастиц (состоят из анти-c и u кварков) на пары каонов или пионов.

Результат имеет статистическую значимость 5,3 сигма, превышающую порог 5 стандартных отклонений, используемых физиками для утверждения открытия.

Авторы называют достижение важным по нескольким причинам. Во-первых, CP-нарушения в процессах с участием c-кварков ранее не наблюдали, во-вторых, такие явления — единственная возможность проверить CP-инвариантность для кварков с зарядом +2/3, в-третьих, это дает дополнительную информацию к получаемой при изучении каонов и B-мезонов.

По материалам N+1