Для начала давайте быстро погрузимся в мир элементарных частиц. Окружающее нас вещество состоит из молекул; молекулы из атомов; атомы – связанная система элементарных частиц электронов (e) и атомного ядра (за связь отвечает электромагнитное взаимодействие). Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, которые в свою очередь, являются связанной системой кварков двух типов: u и d. За связь кварков между собой, а также за связь протонов и нейтронов в ядре отвечает сильное взаимодействие. Электроны, кварки, а также еще одна элементарная частица электронное нейтрино (ν_e), составляют так называемое первое поколение фундаментальных фермионов, из которых и состоит вся видимая материя. Однако природа зачем-то создала еще два поколения фермионов, отличающихся от первого лишь массой. Во второе и в третье поколения входят соответственно мюон (μ) и тау-лептон (τ), более тяжелые аналоги электрона; мюонное (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ) – аналоги электронного нейтрино; c- и t-кварки – аналоги u-кварка; s и b – аналоги d. У каждой из частиц Стандартной Модели (СМ) будь то кварк, заряженный лептон или нейтрино, есть античастица. За превращения кварков, а также за превращения кварков в лептоны, отвечает слабое взаимодействие, а с точки зрения электромагнитного и сильного взаимодействий в современной теории, получившей название СМ физики элементарных частиц, все три поколения кварков одинаковы (с точностью до эффектов зависящих от массы элементарных частиц).

Кварки предпочитают группироваться по несколько штук в адроны (так по предложению советского физика Льва Окуня называют субатомные сильно-взаимодействующие частицы). Из-за особенностей сильного взаимодействия группируются они не абы как, а только в несколько конфигураций. Конфигурацию из трёх кварков, называют барионы; самые яркие представители этого класса протон и нейтрон, но существуют и другие. Частицы, принадлежащие к конфигурации другого типа (кварк и антикварк), называют мезоны. Мезоны могут иметь электрический заряд. Когда объединяются верхний кварк u или c) и нижний антикварк d, s или b (если объединяются верхний антикварк и нижний кварк, то заряд противоположный). Если же кварк и антикварк, составляющие мезон, принадлежат только к верхнему или только к нижнему типу, то такой мезон будет электрически нейтральным. Нейтральные мезоны, для которых можно установить 'аромат', то есть образующие их кварки принадлежат к разным поколениям, -- очень интересный объект для исследований. Оказывается, такой мезон может самопроизвольно превращаться в антимезон, и наоборот. Такие превращения получили название осцилляций или смешивания.

За мезонные осцилляции отвечает слабое взаимодействия. На кварков уровне эти процессы можно объяснить следующим образом. Кварк и антикварк обмениваются W бозоном, при этом они оба переходят из нижнего (верхнего) типа в верхний (нижний), затем, снова обменявшись W бозоном возвращаются в свой начальный тип, но теперь тот кварк и антикварк поменялись местами. Возможен и вклад другого типа, когда кварк и антикварк сначала аннигилируют, испустив два W бозона, которые затем снова превращаются в пару кварк-антикварк. Такие процессы можно наглядно описать на языке кварковых диаграмм Фейнмана.

После рождения кварков идёт так называемый процесс адронизации, они подхватывают легкие кварки и становятся адронами. Из-за механизма рождения и закона сохранения электрического заряда B мезоны коррелированы по аромату, то есть если можно было бы как то проверить их в момент рождения, то один окажется мезоном, а второй антимезоном. Мезоны -- нестабильные частицы, они распадаются по закону радиоактивного распада. Изучая продукты их распадов некоторых типов, физики могут сказать, распался ли мезон или антимезон. Осцилляции нарушают стройную картину, и редко, но удается зафиксировать распад либо двух мезонов, либо двух антимезонов. Так как B мезоны имеют большую массу для них возможны множество каналов распада. Львиную долю составляют так называемые полулептонные распады; b кварк испускает W^- бозон и переходит в c кварк, а если распадается анти-b кварк, то он испускает W⁺ и переходит в анти-c. W бозон может распадаться на пару лептон-нейтрино, причем заряд лептона (e или μ) будет такой же как был у W. Поэтому, если регистрировать события с двумя лептонами одного заряда, то можно установить явление смешивания.

Смешивание мезонов - прекрасный пример косвенных (непрямых) измерений. Измеряя параметры осцилляций, можно получить оценки параметров частиц, регистрация которых может не представляться возможной (например, нет соответствующих ускорителей). Показателен пример того же самого B мезона. Оказывается частота превращений зависит от масс частиц, фигурирующих в диаграммах. Когда физики из эксперимента ARGUS в конце 80-х впервые измерили ввероятность осцилляций B мезонов, оказалось, что масса тогда еще не найденного тогда t кварка должна быть больше 50 ГэВ, это намного больше, чем "верилось" до этого измерения. Позже (в 90-х) прямые измерения экспериментов на протон-антипротонном коллайдере Тэватрон показали, что масса t кварка 175 ГэВ. Именно поэтому физики не прекращают уточнять параметры осцилляций до сих пор, вдруг еще какая-нибудь новая частица "найдется".

Могут ли осциллировать другие системы, состоящие из кварков? Вполне может быть, но открытие подобных эффектов скорее всего дело далекого будущего, хотя поиски ведутся уже сейчас. Электрически нейтральным барионам (трехкварковым частицам) превращаться в барионы запрещает закон сохранения барионного числа, но дело в том, что есть основания полагать, что этот закон сохранения не совсем точный, есть маленькая вероятность, что такого рода процессы возможны. Более того, существование таких превращений одно из условий, при выполнении которого оказывается можно объяснить барионную асимметрию нашей Вселенной. В зоне нашей видимости во Вселенной нет антивещества, и если эта асимметрия появилась в ходе первых мгновений ее расширения, а не была изначально, то для течения такого процесса закон сохранения числа барионов в реакциях должен нарушаться. Самый перспективный способ искать процессы с несохранением барионного заряда - наблюдать за протоном, и ждать его распада (понятно, что физики долго наблюдают за огромным числом протонов, но распадов пока не видят). А второй по популярности способ - искать превращения нейтронов в антинейтроны (нейтронные осцилляции). Можно наблюдать и за более редкими системами -- барионами, содержащими s, c или b кварки. Такие работы тоже ведутся.

Все-таки мезоны составные частицы, их осцилляции можно описать на кварковом уровне, а возможно, чтобы аромат меняла точечная частиц? Да! Более того, такие процессы уже найдены. Речь сейчас пойдет о нейтрино. В экспериментальной физике нейтрино сложно найти, легко потерять и совершенно невозможно забыть. Эта частица очень слабо взаимодействует с веществом. Во всех смыслах слабо - только слабое взаимодействие, и оно очень редко проявляется (нейтрино может пролететь Землю насквозь, не противодействовать). Только рассматривая очень интенсивные потоки нейтрино, можно регистрировать единичные случаи взаимодействия. Измерения показывают - нейтрино может менять аромат! Будучи, например, рожденным электронным (ν_e), нейтрино может на лету превратиться в мюоное или тау-лептонное. Превращаться могут также и ν_μ, и ν_τ.

Идея нейтринных осцилляций была выдвинута итальяно-советским физиком Бруно Понтекорво, а в 2015 Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию за экспериментальное обнаружение этого феномена. Из измерений следует, что лептонное число (лептонный заряд) не сохраняется. В теоретической физике трем типам нейтрино соответствуют три типа полей (сами нейтрино - колебания этих полей). Эти поля как-будто "зацеплены" друг за друга и проявляют себя по-разному в разных ситуациях. Рождаются и взаимодействуют с детекторами нейтрино совершенно конкретных ароматов (собственные состояния по аромату), а вот распространяется в пространстве их смесь (собственные состояния по массе). Кстати из нейтринных осцилляций следует, что масса у нейтрино есть. Более того, измерена разница масс между массовыми состояниями.

Установлено:

• Некоторые мюонные нейтрино, рожденные во взаимодействиях частиц космического излучения с атмосферой Земли, исчезают (по-видимому, превращаясь в тау-лептонные).
  

• То же самое происходит с мюонными нейтрино, полученными на ускорителях.
  

• Часть солнечных электронных нейтрино исчезает, по-видимому, превращаясь в мюонные и тау.
  

• Антинейтрино (электронные) из реакторов тоже испытывают превращения.
  

• Зафиксированы превращения ускорительных мюонных нейтрино в электронные.
  

За каждым из этих измерений стоит не одна многочисленная команда физиков, поэтому факт нейтринных осцилляций можно считать надежно установленным. Ниже показаны современные ограничения на параметры осцилляций, полученные по результатам всех имеющихся экспериментов. Наименьшее значение величины хи-квадрат, отложенное по оси y, соответствует наиболее вероятным параметрам нейтринных осцилляций. Все параметры находятся в ненулевых значениях, а значит осцилляции наблюдаются.

Зачем же физики продолжают изучать процессы смешивания (и для мезонов, и для нейтрино)? Во-первых, многие из эффектом измерены пока грубо и нужно уточнять их численные параметры. Во-вторых, как уже обсуждалось выше, при помощи процессов смешивания можно косвенно искать указание на эффекты Новой физики: устанавливать ограничения на массы новых частиц, и искать проявления взаимодействий нарушающих симметрию между материей и антиматерией (на последней картинке параметр δ_CP должен быть отличен от нуля, чтобы отличие было), но это уже другая история. Очень увлекательная история.

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