Уже более 85 лет прошло с того момента, как физик-теоретик Поль Дирак (слева), исследуя предложенное им релятивистски-инвариантное уравнение движения электрона, открыл на кончике пера существование новой частицы (античастица по отношению к электрону) с массой электрона и электрическим зарядом противоположного знака. Вскоре, американский физик-экспериментатор Карл Андерсон (по-видимому, он не знал о работах Дирака, фото в центре) открыл позитрон в своих исследованиях космических лучей. Предложенный Дираком в ходе научной дискуссии антипротон был найден Сегре (справа) и Чемберленом в 50-х годах уже в ходе ускорительных экспериментов. Антиматерия прочно вошла в нашу картину мира. Мы даже научились ее использовать, так позитрон-эмиссионная томография, метод исследования внутренних органов человека, который базируется на регистрации пары фотонов, рождающихся в результате аннигиляции позитронов и электронов, нашел широкое применение в медицине.

Казалось бы, всё замечательно, однако с антиматерией связана одна из самых интригующих загадок современной физики. Загадку барионной асимметрии Вселенной можно сформулировать так: «Почему видимая часть нашей Вселенной состоит из материи? Куда подевалась вся антиматерия?» Астрофизические наблюдения свидетельствуют, когда-то наша Вселенная была намного компактнее и горячее, чем сегодня; ядра атомов еще не были сформированы, энергия частиц была больше, и сталкивались они друг с другом чаще. Зная законы природы, мы можем мысленно (и численно) проследить, что и как происходило. Но наши знания ограничены некоторым масштабом энергий (примерно сопоставимым с энергиями, достижимыми на БАК). Двигаясь вверх по шкале энергий. мы будем двигаться назад по шкале времени. Пройдя все этапы, знакомые нам из ядерной физики и физики высоких энергий, мы обнаружим, что там, где наши знания заканчиваются, и начинаются догадки, вещество уже доминировало над антивеществом. Физиков волнует вопрос, была ли эта асимметрия с самого начала, или же она возникла динамически (то есть, изначально количество материи и антиматерии было одинаково, однако впоследствии в силу каких-либо причин произошло постепенное нарастание количества барионного вещества и уменьшение количества антибарионного) в процессе эволюции Вселенной?

Выдающийся советский физик-теоретик Андрей Дмитриевич Сахаров в своей работе 1967 года сформулировал три основные предпосылки космологического образования барионной асимметрии:
1. Отсутствие закона сохранения барионного заряда;
2. Отличие частиц от античастиц, проявляющееся в нарушении СР инвариантности;
3. Нестационарность. Образование барионной асимметрии возможно лишь в нестационарных условиях при отсутствии локального термодинамического равновесия.

С тех пор физики ищут проявления в микромире первого и второго пункта сахаровских условий. Ключевым экспериментом по проверки сохранения барионного заряда -- поиск распада протона, однако есть и другие подходы. Так ищутся, например, превращения нейтрона в антинейтрон.

Второй пункт надо расшифровать. Существует фундаментальная теорема физики элементарных частиц (CPT-теорема), утверждающая, что законы природы должны переходить сами в себя, если в них (одновременно!) заменить все частицы античастицами (операция обозначается оператором C), принять местами лево и право (отразить происходящее в зеркале, операция P) и пустить время вспять (T). Для каждой операции в отдельности или пары операций эта теорема уже не действует, и, как следствие, частицы и античастицы для нас принципиально различимы.

Важно понимать, Стандартная Модель (СМ), современная теории физики элементарных частиц, уже включает в себя (экспериментально подтвержденный) механизм нарушения СР инвариантности, однако его "силы" недостаточно для генерации асимметрии. Нужны еще "источники" отличия частиц от античастиц. Даже если нарушение СР инвариантности происходит при очень больших энергиях, его отголоски могут проявляться в свойствах уже известных частиц. Именно такие проявления и пытаются обнаружить в эксперименте LHCb на БАК, исследуя распады частиц, содержащих c и b кварки.

Эксперимент LHCb постоянно ведет поиск CP нарушений в осцилляциях нейтральных D-мезонов – замечательном свойстве систем подобного рода, для которых возможно спонтанное превращение вещества (например, D⁰ мезона, частицы состоящей из с-кварка и анти-u-кварка) в антивещество (анти-D⁰ мезон; u-кварка и анти-c-кварка). В превращении, которое можно графически описать при помощи диаграммного языка, изобретенного Ричардом Фейнманом, участвуют виртуальные, то есть рождающиеся и поглощающиеся в описываемом процессе частицы. Так на приведённой диаграмме c кварк и анти-u кварк обмениваются W бозоном, превращаются в кварки другого сорта (с зарядами ±1/3), которые также обмениваются W бозоном и превращаются в u-кварк и анти-c-кварк. То, что процесс описывается испусканием и поглощением тяжелых W бозонов, означает значит, что он идет под действием так называемых слабых сил. Процесс осцилляций нейтральных D мезонов не очень интенсивен, но как мы увидим чуть позже, он может быть зарегистрирован. Узнав, что родился D мезон можно увидеть не его распад, а распад анти-D⁰ мезона. Но возникают два вопроса:
- Как узнать родился ли мезон или антимезон (физики говорят, узнать аромат начального состояния)?
- Как узнать аромат мезона, который распался?

Первый вопрос решается при помощи помечивания (таггирования, от англ. tag – помечать) начального состояния. Например, в этой работе LHCb использовался метод прямого таггирования. В столкновении протонов рождается много заряженный D* мезонов, которые процентов на 10 тяжелее нейтральных и практически мгновенно распадаются под действием сильного взаимодействия на нейтральный D мезон и заряженный π-мезон. Трек пиона можно зарегистрировать, узнать его заряд и определить, входил ли в D* мезона, а значит входит ли в состав нейтрального D мезон, с-кварк или анти-c-кварк.

С помощью языка диаграмм Фейнмана можно описать и распады мезонов. Для нейтральных D мезонов они также идут под действием слабым взаимодействия. Казалось бы, диаграммы для распадов D⁰ → K^–π⁺ и D⁰ → K⁺π^– похожи друг на друга, но сесть одно важное отличие, обусловленное «структурой» слабого взаимодействия. В расчет амплитуд процесса (квадрат амплитуда соответствует вероятности перехода) входят комплексные константы матрицы кваркового смешивания (матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы). Это фундаментальные константы Стандартной Модели, и те из них, которые входят в диаграмму для разрешенных распадов в четыре раза больше, входящих в диаграмму подавленных (так называемое двойное Кабиббо подавление). D мезоны намного чаще распадаются на K^–π⁺ (а анти-D⁰ мезоны на K⁺π^–), но как мы только что увидели возможны для тех и других возможны, хотя и подавлены распады с другой комбинацией заряда каона и пиона.

Следующий важный ингредиент для регистрации осцилляций определение времени сколько прожил мезон. Это достигается при помощи нахождения точки (или как говорят вершины) распада D мезона при помощи вершинного детектора, системы полупроводниковых позиционно-чувствительных детекторов, регистрирующей частицы в непосредственной близости от точки принесения пучков БАК. Траектории движения каона и пиона (их треки), родившихся в результате распада нейтрального очарованного мезона пересекаются не в точке, где столкнулись протоны, а чуть в стороне. Трековые системы LHCb позволяют рассчитать импульс каона и пиона, восстановить импульс D мезона и дальше, учитывая релятивистские эффекты, посчитать, сколько времени он прожил с момента образования. Дальше можно скомбинировать D мезон с еще одним пионом и восстановить D*. Осцилляции становятся заметны, если разбить события-кандидаты на подгруппы, в зависимости от измеренного времени жизни. Если бы осцилляций не было, то отношения числа D* с неправильным знаком к числу комбинаций с правильным было бы постоянным и равнялось бы отношению вероятности разрешенного и дважды подавленного распадов, но из-за того, что часть D⁰ мезонов превращается в анти-D⁰ мезоны, для которых сильно подавленный распад становится разрешенным и наоборот, это отношение растет. И оно как видно на рисунках растет! R^+/− как раз такие отношения для таггированного мезона (+) и антимезона (−). Из экспериментальных кривой можно вытащить параметры, описывающие осцилляции, а также поискать CP-нарушения, посмотрев насколько отличаются процессы осцилляций для изначально родившихся D⁰ мезонов и анти- D⁰-мезонов, построив разницу между R⁺ и R⁻. Для исследуемых частиц СМ предсказывает отсутствие CP-нарушения, поэтому, если бы величина R⁺ - R⁻ была систематически сдвинута относительно нуля это бы свидетельствовало о нарушении CP инвариантности в распадах D мезонов, а если бы был обнаружен её наклон, то нарушение при смешивании.

Обработав массив экспериментальных данных, набранных в 2015-2016 годах в ходе второго этапа работы БАК и объединив их с данными первого сеанса работы (2011-12), экспериментаторы представили свои измерения. Величина R⁺ - R⁻, представленая на рисунке выше, статистически согласуется с нулевым значением. А значит, из неё можно сделать вывод о том, что эффекты нарушения CP инвариантности не обнаружены. Погоня за редким эффектом продолжается.

Алексей Дзюба, старший научный сотрудник Отделение физики высоких энергий ПИЯФ НИЦ КИ