31 мая 2010 г.

Немножко про CP-нарушение, или Как жаль, что у нас нет детекторов из антивещества!

Пару недель назад коллаборация DZero, работающая на Тэватроне, объявила о том, что она «видит» новую аномалию в рождении мюонов — асимметрию между вероятностью рождения положительных и отрицательных мюонов (см. саму статью, пресс-релиз Фермилаба, реакцию в физических блогах). Коллаборация провела тщательный анализ всех возможных инструментальных погрешностей и заявляет, что на них полностью эффект списать не удается. Значит, говорят авторы, мы имеем дело с реальным эффектом, источником которого является CP-нарушение в нейтральных B-мезонах (немножко про CP-нарушение см. в конце поста).

В принципе, CP-нарушение детектировалось и раньше, но оно всегда оставалось очень маленьким и было более-менее в рамках того, что предсказывала Стандартная модель в физике элементарных частиц. Сейчас же получен эффект примерно в 40 раз больше, чем предсказания Стандартной модели (асимметрия примерно в 1% против 0,023%). Если это реальный эффект, а не артефакт, то это означает первый взгляд в доселе неизвестный мир какие-то совсем новых частиц или взаимодействий — то, что так давно ищут физики.

Правда, физики встретили это сообщение довольно прохладно. Статистическая значимость эффекта — чуть больше 3 стандартных отклонений, не бог весть какая большая. И кроме того, буквально неделю спустя другой эксперимент, работающий на Тэватроне — CDF — доложил на конференции результат про CP-нарушение в Bs-мезонах, хорошо согласующийся со Стандартной моделью (см. подробности в блоге Resonaances) — и значит, ставящий под сомнение интерпретацию DZero. Чем всё это окончится, пока непонятно. Может быть там есть новая физика, может быть это чистый артефакт очень сложной обработки данных, а может быть, ситуация зависнет в состоянии, когда никто так ничего и не понял — как это по сути произошло с сенсационным заявлением CDF полуторагодичной давности о наблюдении мюонных струй.

Но я тут хочу подчеркнуть вовсе не это, а один маленький, но любопытный момент, специфический именно для изучения CP-нарушения — в противовес всем другим измерениям в детекторах.

Когда мы изучаем слабенькую асимметрию между веществом и антивеществом, мы, естественно, стараемся ставить эксперимент максимально зарядово-симметрично — просто чтобы не привнести в данные детектора какой-то внешний дисбаланс между частицами и античастицами. Тот факт, что на Тэватроне сталкиваются именно протоны и антипротоны, как раз этой цели помогает.

Но вот дальше — беда! Дело в том, что весь наш мир, в том числе и сам детектор, состоит из вещества. У нас просто нет возможности построить детектор, состоящий поровну из материи и антиматерии. И вот это вопиющее 100% неравноправие между материей и антиматерией можно привести (и приводит) к чисто инструментальным эффектам, которые максируют собой CP-нарушение и от которых надо избавляться.

Вот конкретный механизм. Мы регистрируем мюоны обоих знаков, μ+ и μ, и проверяем, есть ли дисбаланс между частотой их рождения.
Мюоны регистрируются на окраине детектора — это стандартный способ отделить мюоны от других частиц. Зарегистрированные мюоны могли родиться как в самом центре, в месте стокновения протонов, так и при распаде какой-то долгоживущей частицы, которая вылетела из центра, пролетела пару метров и распалась с испусканием мюона уже где-то внутри детектора.

Главными кандидатами для таких промежуточных частиц являются K+ и K-мезоны, которые при распаде могут испускать μ+ и μ, соответственно. Пока всё симметрично. Но пролетая сквозь вещество (не антивещество!) детектора, эти K+ или K могут просто столкнуться с ядрами, и тогда никакого мюона они уже не породят. Так вот, K+ продирается через вещество легче, чем K. Так происходит потому, что K содержит s-кварк, а K+ — анти-s-кварк. При столкновении каона с протоном (или нейтроном), s-кварк с удовольствием перескакивает на него в обмен на d-кварк, объединяется с его uu-(или ud)-кварками и образует какой-нибудь гиперон. А анти-s-кварк такого себе позволить не может — он «анти», он не объединяется с кварками. Поэтому K испытывает более сильное поглощение в веществе.

В итоге даже если изначально был одинаковый поток K+ и K, в веществе K исчезает быстрее, а значит, дает меньше μ. В результате из-за чисто инструментального эффекта мы видим больше μ+, чем μ. Подобные эффекты сильно затрудняют поиск истинного CP-нарушения, и чтобы отличить его от такого искусственного дисбаланса, надо досконально знать поведение своего детектора и иметь тщательно отлаженные программы моделирования того, как частицы проходят сквозь него.

Ну и наконец краткая справка про CP(«цэпэ»)-нарушение.

Ему можно дать четкое определение через преобразования, но по большому счету, это просто несимметрия между веществом и антивеществом. До ее экспериментального обнаружения в 1960-е годы физики думали, что такого быть не может, потому что такое неравноправие казалось слишком уж противоестественным. Как оказалось, оно берется только за счет слабого взаимодействия, и впоследствии было понято, как его можно включить в теорию (именно за это дали половину Нобелевской премии по физике за 2008 год).

Вообще, CP-нарушение — это слабый эффект; для того, чтобы его увидеть, надо исследовать редкие распады мезонов и слабенькие асимметрии. Тем не менее, CP-нарушение абсолютно важно для самого существования нашего мира. В обозримой части Вселенной мы видим 100% доминирования вещества над антивеществом, но получилось так потому, что вначале в самой ранней и горячей Вселенной динамически возникло слабенькое преобладание вещества над антивеществом, на уровне примерно одна миллиардная. В результате остывания Вселенной почти все частицы проаннигилировали со своими античастицами, кроме очень малой доли вещества, которая так и осталась существовать. Из него в конце концов сложились звезды, планеты и мы сами.

Как именно это CP-нарушение возникло, никто не знает. Теорий много, но кто прав — пока непонятно. Выяснение этого вопроса — одна из задач Большого адронного коллайдера. Ясно только одно: тот уровень CP-нарушения, который есть в Стандартной модели, слишком слаб для того, чтоб породить мир таким, каков он есть. Именно поэтому теоретики и выдумывают разные теории с новыми источниками CP-нарушения — на жаргоне все эти теории в совокупности называют «Новая физика».

Экспериментально CP-нарушение проявляется в распадах нейтральных K-мезонов и Bd-мезонов. Там оно слабое. Теории намекают на то, что оно должно быть сильнее в распадах Bs-мезонов, но измерения в этой системе пока что оставались ненадежными. Более того, в последние пару лет в этой системе при росте накопленной статистики намечалось какое-то отклонение от Стандартной модели. Это и давало теоретическую лазейку — объяснить аномально сильную асимметрию DZero через Bs-мезоны. Но правда, CDF сейчас эту лазейку прибил — его измерения при большой накопленной статистике хорошо вписываются в Стандартную модель.

20 комментариев:

  1. Анонимный31/5/10 07:34

    >Тэватроне сталкиваются именно протины и антипротоны, как раз этой цели помогает.

    "протОны", полагаю?

    ОтветитьУдалить
  2. Да, спасибо, поправил.

    ОтветитьУдалить
  3. Анонимный31/5/10 13:47

    возможна ли связь вращения поляризации квазаров с этим эфектом?

    ОтветитьУдалить
  4. Конкретно с этим — нет, т.к. эти частицы нестабильны, в межгалактической среде их нет. Есть попытки связать изменения поляризации квазаров с аксионами (а точнее, с аксионоподобными легкими псевдоскалярами), что само по себе отдаленно связано с CP, но только отдаленно.

    ОтветитьУдалить
  5. Анонимный31/5/10 17:04

    Если бы CP-нарушения в Стандартной модели хватало для объяснения доминантности вещества над антивеществом во Вселенной, то это давало бы хорошее "антропное" объяснение, зачем нужны три поколения фермионов, а не 1 или 2. (v1adis1av)

    ОтветитьУдалить
  6. "В результате остывания Вселенной почти все частицы проаннигилировали со своими античастицами" - а энергия, выделяемая в процессе аннигиляции, как способствовала остыванию?

    ОтветитьУдалить
  7. Эта энергия не выделилась. Она была и раньше, только «перескакивала» между состоянием «материя+антиматерия» и «излучение». Точнее, в веществе в целом было (локальное) динамическое равновесие между этими состояниями. При остывании, начиная с некоторого порога, переход излучения обратно в материю+антиматерию стал резко замедляться, из-за чего вся свободная антиматерия в конце концов проаннигилировала. В течение этого перехода температура, конечно, падала медленнее, чем было бы без него, но всё равно падала, и после перехода падение продолжилось, т.к. движущая сила остывания (расширение вселенной) никуда не делась.

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный4/6/10 21:13

    А, что скажете об этом эксперименте?:
    http://rnd.cnews.ru/natur_science/physics/news/top/index_science.shtml?2010/03/22/383635

    ОтветитьУдалить
  9. Меня спрашивали раньше, я чуть-чуть ответил вот тут. Серьезно я статью не читал, ничего нового сказать не могу.

    ОтветитьУдалить
  10. Здравствуйте.

    Очень интересная новость, я ее за сдачей своих экзаменов пропустил.
    Рад, что Вы снова стали писать.
    У меня вопрос. Я как-то честно слово забыл.
    "Статистическая значимость эффекта — чуть больше 3 стандартных отклонений, не бог весть какая большая." А норма это сколько? И вообще где бы почитать про это получше..

    ОтветитьУдалить
  11. Не могу понять, Стандартная модель вообще не согласуется с CP нарушением или согласуется, но с небольшим? Если последнее, то как это можно более наглядно себе представить, что какие-то нарушения согласуются, а какие-то нет?

    Ещё было бы интересно послушать Ваши комментарии насчёт этого: http://www.fnal.gov/pub/presspass/press_releases/minos-antineutrinos-20100614.html

    ОтветитьУдалить
  12. Согласуется, но с небольшим, т.к. в стандартной модель CP-нарушение присутствует только в одном месте в лагранжиане. Ну и кроме этого, как и многим другим параметрам, в СМ не дается объяснения, почему оно такое, а не иное.

    Про MINOS я видел, но еще не вчитывался.

    ОтветитьУдалить
  13. Анонимный17/10/10 00:05

    Наверное немного не по теме, но все таки.
    Можно ли построить "квантовую" хромодинамику без квантовой механики, так что-бы теория выводилась с инвариантности (еще не ясно чего) относительно SU(3). Заранее спасибо.

    ОтветитьУдалить
  14. Трудно представить, как это можно было бы сделать. Вот смотрите: один из ключевых шагов в квантовой механике состоит в том, что мы осмеливаемся работать с комплексными числами и даже придаем им смысл. Мы разделяем величины на наблюдаемые и ненаблюдаемые, и эти ненаблюдаемые могут уже быть комплексными. Группа SU(3) естественней всего возникает как группа преобразований комплексных векторов. Конечно, у нее есть и вещественные представления, т.е. ее можно привлечь и к преобразованиям вещественного пространства, но это мне кажется неестественным. Хотя не исключаю, что в каких-нибудь необычных динамических системах со связями такая группа может возникнуть.

    ОтветитьУдалить
  15. Анонимный17/10/10 13:07

    В квантовой теории поля лагранжиан зависит от волновой функции и ее производных, а в класической механике - от координат и скоротей. Но координати - комплексные векторы (ct, ix, iy, iz), значит их можно преобразовать елементами группы SU(3)? Или нет? Может есть изоморфизм этих векторов и кватернионов, тогда будет проще. Я понимаю, альтернативная физика виходит. Может быть я что-то не так пишу, я не специалист.

    ОтветитьУдалить
  16. Комплексное число — это не просто мнимое число. Комплексные числа занимают плоскость, а чисто мнимые, так же, как и чисто вещественные — прямую. Это существенно меняет свободу их преобразований.

    ОтветитьУдалить
  17. Анонимный19/10/10 22:18

    Я понимаю, но множество векторов (ct, ix, iy, iz), это уже не прямая. Просто хочу (наверное это уже питались делать до меня) сравнить ОТО и квантовые теории, что-бы выделить общее. Здесь нужно смотреть или на четыре квантовые теории (не возможно, потому что ОТО нельзя представить как предел соответствующей квантовой теории), или на четыре классические. Я думаю, что 4-импульс, можна считать 4-массой, как в ел. динамике 1-заряд, в теории слабых взаемодействий 2-заряд, в хромодинамике 3-заряд, или нет? И еще вопрос в теории струн, 11 измерений, это может быть связано с тем что 1+2+3+4=10, 1-для ел.динамики, и т. д., одно для самой стуны, и 10 для возможности трансформировать координаты групами симметрии? Спасибо за ответы. PS, я понимаю что похож на альтернативщика, но я признаю, что скорее всего я неправ.

    ОтветитьУдалить
  18. В принципе, идею разложить 10мерное пространство теории струн на 4 пространственных степени свободы и на 1+2+3 калибровочных в теории струн рассматривают, да.
    Насчет комплексных координат — я имею в виду, что каждая из ix, iy, iz — это прямая, а не плоскость, и потому это еще не комплексные числа.

    ОтветитьУдалить
  19. Анонимный19/10/10 22:38

    Не означает ли это, что теория струн получила непрямое подтверждение, ведь число 10 было получено иным путем, и теперь оно совпало с 1+2+3+4, может быть это значит что в мире всего четыре взаимодействия (10-минимальное число измерений в которых могут существовать струны и их может бить больше, но все же...).

    ОтветитьУдалить
  20. Нет, не означает, поскольку это не предсказание, а апостериорное объяснение.

    ОтветитьУдалить