21 марта 2019 г. на конференции по электрослабым взаимодействиям и теориям большого объединения в Ля Туиле (Италия) представители коллаборации LHCb заявили об обнаружении СР-нарушения в распадах очарованных мезонов. Открытие может стать ключом к разгадке тайны асимметрии вещества и антивещества во Вселенной
В первые мгновения после Большого взрыва вещество и антивещество образовались в равном количестве, однако сейчас антивещества в окружающей нас Вселенной ничтожно мало. Что нам очень на руку, ведь в случае полного равенства частиц и античастиц они бы проаннигилировали друг с другом вскоре после рождения Вселенной, и мира, каким мы его знаем, просто не существовало бы. Преобладание вещества над антивеществом во Вселенной – одна из задач физики, над решением которой бьются лучшие умы.
В 1967 г. советский академик А.Д. Сахаров предположил, что дисбаланс вещества и антивещества мог возникнуть в результате нарушения так называемой CP-симметрии. Идея симметрии четности заключается в том, что законы физики инвариантны (неизменны) относительно зеркальной инверсии, т.е. зеркальное изображение реакции идет так же, как и сама реакция. Но это не касается слабых ядерных взаимодействий, и при одновременной замене на античастицы всех частиц, участвующих в этих взаимодействиях, вероятности всех процессов не останутся прежними. В своей знаменитой работе о генерации барионной асимметрии Вселенной Сахаров показал, что CP-нарушение является одним из условий, при которых после Большого взрыва вещество и антивещество уничтожают друг друга не полностью – остается маленький избыток вещества, из которого и сформировались звезды, галактики и, в конечном итоге, мы с вами.
Кстати сказать, о наблюдении нарушения CP-симметрии в распаде нейтральных К-мезонов американские физики Д. Кронин и В. Фитч объявили еще в 1964 г. на 12-ой Международной конференции по физике высоких энергий ICHEP в Дубне. За два года до этого группа Э. О. Оконова из дубнинского Объединенного института ядерных исследований искала CP-запрещенные распады каонов, но эксперимент был признан безнадежным и закрыт по финансовым соображениям. Так что Нобелевская премия по физике за 1980 г. досталась американским ученым.
В 1973 г. два японских исследователя, будущие нобелевские лауреаты М. Кобаяши и Т. Маскава предложили теоретическое объяснение нарушения четности, экспериментально обнаруженной в 1964 г. В рамках теории Кобаяси-Маскава для объяснения эффекта СР-нарушения была предложена модель, предполагавшая существование трех поколений кварков и наличие комплексной фазы в амплитудах переходов между разными поколениями. Однако проявление этого эффекта в распадах частиц, содержащих различные тяжелые кварки, во многом зависит от других свойств Стандартной модели.
Эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК, LHC) в ЦЕРН предназначен для изучения B-мезонов, неустойчивых частиц, при распаде которых наиболее ярко проявляется асимметрия между веществом и антивеществом. LHCb – самый маленький из четырех основных детекторов БАК, но далеко не «последний». Два года назад известный популяризатор науки, физик Игорь Иванов писал, что «LHC – единственный из экспериментов БАК, исправно поставляющий позитивные результаты».
Новый сенсационный результат исследователи из российского Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» и Школы анализа данных Яндекса в составе коллаборации LHCb получили при анализе данных по распаду очарованных D-мезонов (частиц, содержащих один очарованный кварк) в эксперименте LHCb в 2011–2018 гг. Кстати сказать, вероятность рождения самих D-мезонов очень невелика, к тому же эти частицы практически сразу распадаются.
Ожидалось, что эффект СР-нарушения в распадах этих частиц должен быть на уровне 0,1–0,01%. Ученые обнаружили, что количество распадов анти-D⁰ мезонов действительно превышало соответствующее количество распадов D⁰, при этом значение для CP-нарушения отличается от нуля на 5,3 стандартных отклонения, что выше порога в пять стандартных отклонений, принятом в физике высоких энергий для признания достоверности наблюдаемых различий.
Чтобы улучшить качества набора и анализа данных эксперимента LHCb исследователи применили элементы искусственного интеллекта, а вычислительные мощности Яндекса были использованы для моделирования событий эксперимента LHCb, необходимого для правильной интерпретации физических результатов. По словам ведущего научного сотрудника лаборатории LAMBDA факультета компьютерных наук ВШЭ Ф. Ратникова, благодаря усилиям их группы «эффективность триггера для отбора значимых событий была увеличена в среднем на 40%, а за счет использования нейросетевых байесовских подходов был улучшен алгоритм определения типа частиц, наблюдаемых детектором. Также была разработана интеллектуальная система мониторинга качества работы последнего».
Как резюмировал старший научный сотрудник той же лаборатории Д. Деркач, «изучение эффектов СР-нарушения исключительно важно для понимания механизмов образования нашей Вселенной. И сегодня мы сделали еще один шаг в изучении картины этого явления в распадах тяжелых мезонов».
Фото: https://home.cern
По материалам Пресс-службы НИУ ВШЭ (Москва)
