Нарушение симметрии заряд–паритет, или CP-нарушение, является одной из ключевых тем в современной физике элементарных частиц. Данная концепция описывает асимметрию между материей и антиматерией, что имеет фундаментальное значение для понимания происхождения Вселенной, где доминирует материя. Долгое время нарушение CP-симметрии наблюдалось лишь в распадах мезонов, однако только до недавнего времени не удавалось получить достоверное свидетельство подобных явлений в распадах барионов – частиц, состоящих из трёх кварков, включая протон и нейтрон. Совсем недавно крупный международный коллектив ученых из эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) впервые убедительно зафиксировал нарушение CP-симметрии в распаде красоты бариона \({\Lambda }_{b}^{0}\), что стало знаменательным событием в физике частиц и открыло новые пути в исследовании фундаментальных законов природы. CP-симметрия объединяет две операции: зарядную конъюгацию (C), которая меняет частицы на соответствующие античастицы, и пространственную инверсию (P), отражающую координаты в пространстве.
В идеальной симметричной Вселенной все физические процессы протекали бы одинаково для материи и антиматерии при зеркальном отражении. Но эксперименты показывают, что так происходит не всегда – существует нарушение этой симметрии, известное как CP-нарушение. Оно впервые было обнаружено в мезонах K в 1964 году, а затем подтверждено и в других мезонных системах. Однако барионы, из которых состоит видимая материя, долго оказывались непреклонными объектами с точки зрения проявления CP-нарушения. Отсутствие такого эффекта в барионах оставалось одним из главных тайн современной физики.
Используя огромный объем данных, собранных в период с 2011 по 2018 годы на эксперименте LHCb, ученые проанализировали распад бариона \({\Lambda }_{b}^{0}\) на четыре частицы: протон, отрицательный каон и две пионы с разными знаками зарядов (\(pK^{-}\pi^{+}\pi^{-}\)). В основе этого распада лежат переходы кварков b-типов в u- или s-кварки, состоящие из сложного перекрытия «деревьев» и «петель» фермионных диаграмм, или, иными словами, различных амплитуд взаимодействий. Благодаря тонкому анализу асимметрий в скоростях распада бариона и его античастицы была выявлена статистически значимая разница, сигнализирующая о наличии CP-нарушения. Стандартная модель физики частиц, которая давно признана фундаментальным теоретическим каркасом для описания элементарных частиц и их взаимодействий, предусматривает источник CP-нарушения в форме так называемого механизма Кабиббо–Кобаяши–Маскава (CKM). Этот механизм объясняет, как три поколения кварков смешиваются и как в этом процессе появляются комплексные фазы, дающие основу для нарушения CP-симметрии.
Тем не менее, до последнего времени экспериментальные данные о CP-нарушении ограничивались мезонными распадами, и предполагаемое CP-нарушение в барионных системах оставалось не подтвержденным. Новое исследование LHCb вплотную приблизило науку к решению этой загадки, зарегистрировав значимые проявления CP-нарушения именно в барионах. Наблюдаемое нарушение CP-симметрии в распаде \({\Lambda }_{b}^{0}\to pK^{-}\pi^{+}\pi^{-}\) имеет значение около 2,45%, что, благодаря скрупулезному статистическому анализу и учету систематических эффектов, было подтверждено на уровне более чем пяти стандартных отклонений — традиционный порог доказательства открытия в физике частиц. Это означает, что результаты с крайне большой степенью уверенности свидетельствуют о том, что барионы и антибарионы ведут себя по-разному в своих распадах, что впервые наблюдается на экспериментальном уровне. Особенно интересно, что CP-нарушение проявляется значительно сильнее в определённых регионах многомерного фазового пространства распада, где имеются промежуточные резонансы.
Среди них наиболее выражено нарушение в распадах с возбуждёнными нуклонами, которые затем распадаются на протон и пару пионов. Такие микроскопические детали дают представление о влиянии сильных взаимодействий и фазовых сдвигов, которые усиливают видимое CP-нарушение. Для измерения CP-асимметрии исследователи применили сложную методику обработки данных, включающую выделение сигналов распада среди фоновых событий, учёт различий в производстве барионов и антибарионов в протон-протонных столкновениях, а также коррекцию за эффекты обнаружения частиц с разными зарядами в детекторе. В качестве контрольного канала был использован распад \({\Lambda }_{b}^{0}\) в \({\Lambda }_{c}^{+} \pi^{-}\), где нарушение CP не ожидается по теории. Это позволило эффективно исключить систематические ошибки и повысить точность измерения.
Данное открытие имеет огромное значение не только для подтверждения Стандартной модели на новом уровне, но и для изучения загадки преимущественного существования материи во Вселенной. Известно, что нарушений CP в модели CKM недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое количество вещества на фоне практически полного отсутствия антивещества после Большого взрыва. Следовательно, поиск новых источников CP-нарушения в барионах открывает перспективы для выявления новой физики за пределами существующих теорий. Также стоит отметить, что барионы, в отличие от мезонов, обладают более сложными динамическими свойствами благодаря наличию трёх кварков и различным каналам взаимодействия. Это приводит к возможному взаимному компенсированию CP-асимметрий между различными амплитудами, что объясняет сложность обнаружения эффектов даже при достаточно крупном эффекте на уровне кварковых переходов.
Новые данные дают важные ориентиры для развития теоретических моделей сильного взаимодействия и для построения адекватных методик анализа многотелесных распадов барионов. Кроме того, исследование локализованных CP-асимметрий в различных областях фазового пространства позволяет глубже понять роль промежуточных резонансов и их вклады в общее нарушение симметрии. Такой подход обещает новые открытия и уточнения в спектроскопии частиц и динамике барионов с b-кварком. Эксперимент LHCb обладает уникальными возможностями для выявления подобных эффектов благодаря высокому уровню точности измерений, способности эффективно распознавать конечные состояния с несколькими частицами и большим набором статистических данных, собранных за годы работы Большого адронного коллайдера. Успехи LHCb подтверждают важность комплексного подхода к изучению редких процессов и отражают высокий уровень международного сотрудничества в области фундаментальной физики.
В будущем ученые планируют продолжать изучение CP-нарушения в барионных системах с расширением статистики, более тонким анализом амплитуд и включением других каналов распада. Эти усилия способны оказать решающее влияние на поиск новых физических явлений, включая потенциальные проявления частиц или взаимодействий, выходящих за рамки Стандартной модели. Таким образом, открытие нарушения заряд–паритет симметрии в распадах барионов знаменует эпохальный этап в исследовании природы материи и антиматерии. Оно не только подтверждает фундаментальные принципы существующих теорий, но и открывает двери к новым загадкам и возможностям в понимании устройства Вселенной на самом глубоком уровне.
