О нарушении CP-инвариантности

В начале 2024 года в журнале Physical Review Letters были опубликованы две статьи, в которых эксперимент LHCb, представил новые прецизионные измерения эффектов нарушения CP инвариантности в распадах прелестных мезонов. 5 марта в Отделении физики высоких энергий Института состоялся семинар, на котором сотрудники ОФВЭ обсудили эти работы.

Поиски новых источников нарушения CP-четности важны для понимания эволюции Вселенной в первые секунды после Большого взрыва. Отличие частиц от античастиц, проявляющееся в нарушении СР-инвариантности, является одним из условий, сформулированных А.Д. Сахаровым, необходимых для объяснения образования барионной асимметрии Вселенной. В Стандартной модели физики частиц (СМ) CP-инвариантность нарушена в кварковом секторе. Этот эффект связан с ненулевой комплексной фазой элементов унитарной матрицы кваркового смешивания (матрицы Кабиббо-Кобаяши-Маскавы, ККМ-матрицей). Ожидается, что проявления новой физики, выходящей за пределы СМ, связаны с заметным нарушением CP-четности, поэтому одна из стратегий поиска таких эффектов основана на прецизионных измерениях элементов ККМ-матрицы (или их соотношений) и проверке условий её унитарности. Эксперимент LHCb выполняет данные исследования, изучая характеристики распадов прелестных мезонов.

В 2023 году эксперимент LHCb закончил обработку данных, набранных в ходе второго этапа работы БАК при энергии взаимодействия протонов $\backslash (13\backslash )$ ТэВ, и направил в печать результаты прецизионных измерений параметров СР-нарушения: $\backslash (\backslash sin(2\backslash beta)\backslash )$ и $\backslash (\backslash varphi\_\{s\}\backslash )$. Эти работы были опубликованы в начале 2024 года в журнале Physical Review Letters (1, 2). Величины обеих наблюдаемых могут быть точно рассчитаны в рамках СМ на основании результатов независимых измерений другого типа и использовании свойства унитарности ККМ-матрицы. В представленных работах исследовались распады $\backslash (B^\{0\}\backslash rightarrow\; \backslash psi(\backslash rightarrow\backslash mu^\{+\}\backslash mu^\{-\})K\_\{S\}^\{0\}(\backslash rightarrow\backslash pi^\{+\}\backslash pi^\{-\})\backslash )$ и $\backslash (B\_\{s\}^\{0\}\backslash rightarrow\backslash psi(\backslash rightarrow\backslash mu^\{+\}\backslash mu^\{-\})\backslash phy(\backslash rightarrow\; K^\{+\}K^\{-\})\backslash )$, также распады соответствующих античастиц (символ $\backslash (\backslash psi\backslash )$ обозначает чармониевые резонансы). Был проведен анализ углов разлета частиц для каждого события в зависимости от времени, прошедшего с момента образования прелестной частицы.

Эффект нарушения CP-инвариантности наиболее ярко проявляется для распадов $\backslash (B^\{0\}\backslash rightarrow\; \backslash psi\; K\_\{s\}^\{0\}\backslash )$ в распределении для зависящей от времени CP-асимметрии. В отсутствии эффекта данный параметр был бы тождественно равен нулю независимо от времени. В результате анализа было получено значение $\backslash (\backslash sin(2\backslash beta)\; =\; 0.717\; \backslash pm\; 0.013\_\{stat\}\; \backslash pm\; 0.008\_\{sist\}\backslash )$.

Как и ожидалось, величина фазы $\backslash (\backslash varphi\_\{s\}\backslash )$ оказалась мала $\backslash (–0.039\; \backslash pm\; 0.022\_\{stat\}\; \backslash pm\; 0.006\_\{sist\}т\backslash )$. Это полностью соответствует предсказаниям, сделанным на основе СМ. Полученные значения $\backslash (\backslash varphi\_\{s\}\backslash )$, и $\backslash (\backslash sin(2\backslash beta)\backslash )$) являются самыми точными на сегодняшний день и находятся в хорошем согласии в пределах имеющихся неопределенностей как с результатами предыдущих измерений, так и с предсказаниями СМ.

Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ принимали активное участие в создании, запуске и техническом сопровождении Мюонной системы детектора LHCb, информация с которой использовалась для выделения сигнала от распада $\backslash (B\_\{s\}^\{0\}\backslash )$ и $\backslash (B^\{0\}\backslash )$ мезонов. Подробнее об этом измерении можно узнать из материалов Семинара ОФВЭ (видеозапись, слайды), на котором обсуждались эти измерения. С докладом выступил заведующий Лабораторией барионной физики ОФВЭ Алексей Дзюба.