Асимметрия между материей и антиматерией впервые обнаружена в распадах барионов

Коллаборация LHCb, изучающая на Большом адронном коллайдере рождение и распады прелестных адронов, методично выполняет пункт за пунктом своей научной программы и регулярно открывает новые эффекты. Вот и сейчас в своей новой статье Measurement of matter-antimatter differences in beauty baryon decays коллаборация сообщает, что ей впервые удалось обнаружить эффекты CP-нарушения в распадах барионов.

CP-нарушение — это несимметричность законов микромира относительно замены всех частиц на античастицы (C-преобразование) и одновременного отражения всех координатных осей (P-преобразование). Именно благодаря CP-нарушению во Вселенной вещество преобладает над антивеществом и, как следствие, существуют звезды, планеты и мы с вами. То, что законы элементарных частиц сильно несимметричны относительно одного лишь C- или одного лишь P-преобразования, это не так удивительно, поскольку это заложено устройством Стандартной модели. Но вот слабая несимметричность относительно одновременного преобразования C и P — это загадка, ибо Стандартная модель этого не требует. Описать этот эффект в ее рамках можно (и за это, кстати, была дана половина Нобелевской премии по физике за 2008 год), объяснить — нет.

Эффекты CP-нарушения известны физикам уже более полувека. Проявляются они, например, так. Физики изучают определенный распад какой-то частицы и сравнивают его с аналогичным распадом ее античастицы (все дочерние частицы тоже должны быть с приставкой анти-). Если их вероятности не совпадают или же если они имеют разное угловое распределение, то делается вывод о наблюдении различий между свойствами материи и антиматерии — это и есть CP-нарушение.

До сих пор все такие эффекты наблюдались исключительно в распадах и осцилляциях мезонов, то есть частиц, состоящих из кварка и антикварка. В принципе, прелестные барионы (адроны, состоящие из трех кварков, в том числе и b-кварка) тоже могли бы демонстрировать такие эффекты, но их наблюдать намного сложнее. Во-первых, таких барионов рождается меньше, чем мезонов, а во-вторых, их распады более сложные и потому эффекты там более тонкие. Тем не менее теоретики ожидали, что достаточно прозорливый эксперимент (и здесь реверанс в сторону LHCb) мог бы их заметить.

Наконец это произошло. В своей статье Measurement of matter-antimatter differences in beauty baryon decays, появившейся в архиве епринтов неделю назад, коллаборация LHCb рассказывает об изучении распадов \(\Lambda_b\)-бариона (кварковый состав udb) \(\Lambda_b\to p \pi^- \pi^+\pi^-\) и \(\Lambda_b\to p \pi^- K^+K^-\), а также аналогичных распадов их античастиц \(\overline{\Lambda_b}\). Сравнивать количество событий с нужными распадами \(\Lambda_b\) и \(\overline{\Lambda_b}\) не слишком полезно, поскольку погрешность тут большая. Но можно проанализировать кинематические предпочтения в каждом типе распада (какие мезоны куда вылетают) и сравнить уже их.

Этот анализ был проведен на основе всей статистики сеанса Run 1, и он показал заметное отличие от «нулевой гипотезы», то есть от предположения, что никаких CP-нарушающих эффектов нет. Статистическая значимость отклонения составила 3,3σ. Такое число интерпретируется еще не как открытие, а как «указание на существование». Однако поскольку эффект вполне ожидаем, можно рассчитывать, что при обработке сеанса Run 2 он дорастет и до полноценного открытия.