Новости
Рисунок: Изображение события распада бозона Хиггса на два Z-бозона, каждый из которых распадается на пару лептон-антилептон. Источник: ATLAS/ЦЕРН
Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) сообщил о результатах проверки одной из фундаментальных симметрий в экспериментальной работе коллаборации ATLAS. Ученые искали нарушения комбинированной четности (CP-четность), чтобы ответить на вопрос: откуда взялся избыток материи над антиматерией?
Физики проверяли, сохраняется ли CP-четность, то есть симметрия относительно одновременного зарядового сопряжения (замены знака частиц с плюса на минус) и зеркального пространственного отражения, в реакциях с участием бозона Хиггса. Целью исследования было найти источник неравенства между материей и антиматерией, без чего невозможно объяснить возникновение вещества во Вселенной. Измерения проводились с 2015 по 2018 год, но их новый анализ был завершен только сейчас. Результаты оказались отрицательными: дополнительные взаимодействия, нарушающие CP-четность, так и не были найдены.
CP-четность означает тождество свойств ядерных реакций, в которых участвуют частицы и античастицы при зеркальном отражении пространственных координат. Большинство взаимодействий в природе сохраняют CP-четность. Однако нарушение CP-четности совершенно необходимо для нашего понимания космологии. Из наиболее убедительных и непротиворечивых моделей возникновения Вселенной следует, что после Большого взрыва образовались как частицы, так и античастицы. И тех, и других было очень много, однако частиц было по порядку величины на одну миллиардную долю больше. Поэтому почти все частицы аннигилировали со всеми античастицами, а из одной миллиардной доли возникла видимая Вселенная.
Но для такого сценария необходимо, чтобы в Стандартной модели физики частиц свойства частиц отличались от свойств античастиц. То есть CP-симметрия должна быть нарушена. Это отчасти достигается за счет так называемого смешивания кварков друг с другом. Однако наблюдаемого из-за смешивания кварков нарушения CP-четности недостаточно, чтобы породить нужные в космологии эффекты. Поэтому физики ищут другие взаимодействия, чтобы обеспечить требующийся для космологии уровень нарушения CP-четности.
Базовой гипотезой, которую проверяли исследователи из ЦЕРНа, было нарушение CP-четности в распадах бозона Хиггса. В Стандартной модели все “предусмотренные” взаимодействия бозона Хиггса с другими частицами сохраняют CP-четность.
Исследователи предложили несколько каналов реакций образования и распада бозона Хиггса, которых нет в Стандартной модели и которые бы нарушали CP-четность. Физики свели нарушающие CP-четность процессы к так называемым оптимальным наблюдаемым. Это такие наблюдаемые, которые должны быть равны нулю в случае сохранения CP-четности. Они так устроены, что частицы вносят в них положительный вклад, а античастицы — отрицательный, поэтому если имеет место симметрия между частицами и античастицами, оптимальные наблюдаемые обнуляются.
Физики коллаборации ATLAS рассмотрели процессы рождения бозона Хиггса из двух W или Z-бозонов (в этих случаях вместе с Хиггсом производится кварк и антикварк, что видно по адронным струям). Они также изучили процессы распада бозона Хиггса на два Z-бозона, каждый из которых, распадается на пару лептон-антилептон. Грубо говоря, при замене частиц на античастицы и направлений полета на противоположные при сохранении CP-четности в этих процессах ничего не должно меняться. А если CP-четность нарушена, частицы и античастицы будут вести себя по-разному.
Для исследования ученые использовали данные Большого адронного коллайдера, накопленные в течение трех лет. В результате обработки этих данных они выяснили, что с вероятностью более 99% CP-четность при распаде бозона Хиггса сохраняется. Поэтому проблема барионной асимметрии в космологии остается: никто так и не знает, почему материи образовалось чуть больше, чем антиматерии.