Коллаборации
исследователей, в которой участвуют и ученые из Института ядерной физики им. Г.
И. Будкера СО РАН, удалось с очень высокой точностью измерить явление
осцилляции (то есть перехода частицы в античастицу и наоборот) для Bs-мезонов.
Эксперимент LHCb работает на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН (Швейцария).
Статья об этом была опубликована в журнале Nature.
«Явление осцилляций прелестных странных мезонов (Bs-мезонов)
впервые было открыто в 2006 году на детекторе CDF в Фермилабе, — говорит
заведующий лабораторией ИЯФ СО РАН академик Александр Евгеньевич Бондарь. —
Однако теоретически оно было предсказано намного раньше, и с тех пор все очень
ожидали экспериментального обнаружения. С 2006 года качество таких измерений
существенно увеличилось, и на БАКе получилось измерить эффект осцилляций
прецизионно, намного лучше, чем было сделано до этого».
Как известно, Большой адронный коллайдер — это кольцевой ускоритель
протонов, где два пучка с энергией 13 тераэлектронвольт сталкиваются, в
результате чего рождается большое количество частиц, в том числе и B-мезонов
(их еще называют прелестными, от слова beauty). Перед исследователями стоит
задача: зарегистрировать такие частицы и изучить их свойства. Для этого создан
специальный детектор — LHCb, где и был в числе прочих поставлен эксперимент, о
котором идет речь.
«Прелестные мезоны живут
достаточно долго по сравнению с другими частицами, это можно наблюдать по тому,
что они относительно далеко отлетают от первичной точки взаимодействия
протонов, — объясняет Александр Бондарь. — Тут полезно отметить, что благодаря
релятивистскому фактору, который в эксперименте достигает нескольких десятков,
а то и сотен, при времени жизни чуть больше пикосекунды прелестный мезон
успевает пролететь расстояние порядка нескольких сантиметров». Для того чтобы
определить, что в конкретном событии была долгоживущая частица, в эксперименте
LHCb используется специальный полупроводниковый координатный детектор с высоким
пространственным разрешением, приближенный очень близко к протонным пучкам.
Дело в том, что прелестные мезоны, как и частицы — продукты их распада, летят
вдоль пучка с относительно небольшим углом, и для регистрации этих частиц с
большей эффективностью трековый вершинный детектор размещают максимально близко
к пучку. «Благодаря именно такому детектору в эксперименте LHCb удается с
высокой точностью измерять времена жизни и время осцилляций прелестных
мезонов», — добавляет Александр Бондарь.
![(jpg, 90 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=38b63028-9d50-45aa-a7ed-dcf9892b34a5)
Детектор LHCb. Фото
ЦЕРН
Однако для всех
этих исследований просто узнать место распада недостаточно, нужно уметь
определять энергии продуктов распада, и остальная часть детектора в основном
сосредоточена на решении этих задач. Так, для того, чтобы измерить импульс
заряженных частиц, в детекторе установлен магнитный спектрометр: там в
магнитном поле траектория заряженной частицы искривляется и по углу поворота
определяется ее импульс. Энергия же гамма-квантов измеряется в электромагнитном
калориметре. «Кроме того, нужно определять и сорт вторичных частиц — это очень
важно для дальнейшего анализа событий. Для этого используется специальное
устройство, которое мы называем системой идентификации частиц, где используются
черенковские счетчики, газовые и на основе аэрогеля, который производился в ИЯФ
СО РАН и Институте неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН. Дальше есть
система сбора данных, которая всю информацию, полученную отдельными элементами
детектора, преобразует в цифровой вид, записывает и анализирует. Это должно
происходить с очень большой скоростью», — комментирует Александр Бондарь. Он
подчеркивает, что детектор LHCb уникален, другого такого в мире нет, и поэтому
рекордные возможности измерения осцилляций прелестных странных мезонов были
достигнуты именно в этом эксперименте.
В чем же
физический смысл явления осцилляций и почему так важно измерить их с
максимальной точностью? «Здесь нужно начать с нейтральных странных мезонов,
частиц, которые состоят из странного кварка и легкого d-антикварка и не имеют
электрического заряда, — поясняет Александр Бондарь. — Они легчайшие в своем
классе, их распад возможен только за счет слабого взаимодействия». Впервые
явление осцилляций в таких системах было обнаружено в середине 1960-х годов для
нейтральных каонов. Оказалось, что если в процессе каких-то ядерных
взаимодействий рождается частица и живет относительно длительное время, то за
свою жизнь она может самопроизвольно превратиться в античастицу (и наоборот).
Что примечательно, осцилляции происходят благодаря очень слабым
взаимодействиям, которые, однако, чувствительны к влиянию виртуальных
(участвующих в процессе на очень короткий миг, а затем пропадающих) тяжелых
частиц, которые могут быть намного тяжелее, чем мезоны. «Измерив осцилляции
нейтральных каонов, ученым удалось понять, что существуют очарованные кварки,
еще не наблюдая их в эксперименте, — говорит Александр Бондарь. — Очарованные
кварки были обнаружены много позже, в 1974 году. Однако уже при прецизионном
измерении осцилляций каонов физики поняли: трех известных на тот момент кварков
недостаточно, чтобы объяснить свойства этой нейтральной частицы. Так что
сначала очарованный кварк возник на кончике пера, как теоретическое построение,
а потом он был найден экспериментально. До сих пор детальное изучение
осцилляций мезонов — универсальный инструмент для физиков в целях поиска новых
частиц».
По словам
Александра Бондаря, прецизионное знание свойств и параметров осцилляций (в
частности, их частоты) дает очень важную характеристику, которая очень сильно
зависит от интенсивности взаимодействия, переводящего частицу в античастицу и
обратно. «Если мы узнаем эту величину, то сможем сравнить ее с ожидаемой в
теоретической картине. Могу сказать, что она хорошо согласуется с тем, что мы
надеемся увидеть в Стандартной модели», — отмечает ученый.
Однако тут есть
любопытный момент. Если в случае с очарованными кварками теория надолго
опередила эксперимент, то здесь получается наоборот: теоретические предсказания
частоты осцилляций прелестных странных мезонов более грубые, чем полученные в
настоящее время в высокоточных измерениях. «Это связано с тем, что частота
осцилляций мезонов зависит не только от слабых взаимодействий, но также
возникают поправки и от эффектов сильного взаимодействия, которые плохо
вычисляются в теории, — рассказывает Александр Бондарь. — Поэтому проведенное
на LHCb исследование — это задел на будущее, когда теория достигнет
возможностей сегодняшнего эксперимента. Перспектива для этого есть: сейчас
многие физики связывают возможный прогресс в теоретической точности расчетов с
расчетами на решетках, это численные методы, которые позволяют почти из
первопринципов получать поправки за счет сильного взаимодействия, влияющие на
измеряемые величины».
По словам
ученого, соотнести эксперимент и теорию очень важно, потому что по-прежнему
такие явления, как осцилляции, чувствительны к гипотетическим новым частицам
гораздо большей массы, чем те, которые доступны для наблюдения. «Интересно
опять обнаружить расхождения теоретических предсказаний и экспериментальных
измерений, и если это произойдет, то такое расхождение будет сигналом того, что
мы видим ту самую Новую физику, которую все сейчас ищут», — акцентирует
Александр Бондарь.
Екатерина
Пустолякова