Все новости

«Без нарушения CP-симметрии не было бы ни звезд, ни планет — только скучный газ из фотонов». Александр Бондарь — о мезонах, кварках, балансе частиц и античастиц во Вселенной

Александр Бондарь
© Фото: из архива ИЯФ СО РАН
В конце марта коллаборация LHCb (ЦЕРН) объявила об обнаружении нарушения симметрии между свойствами материи и антиматерии (СP-cимметрии) в распадах D0-мезонов. В коллаборацию входит несколько российских институтов, в том числе Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН), а также Новосибирский государственный университет (НГУ). «Чердак» побеседовал о мезонах, кварках, балансе частиц и античастиц во Вселенной и о том, зачем вообще физики ищут все это, с членом-корреспондентом РАН, заместителем директора по научной работе ИЯФ СО РАН, деканом физического факультета НГУ и членом коллаборации LHCb Александром Бондарем.

[Ch.]: В популярной литературе СР-симметрию (произносится «ЦП-симметрия») часто называют просто балансом между материей и антиматерией без каких-либо пояснений. Расскажите, пожалуйста, что именно физики понимают под этим термином?

[АБ]: Дело в том, что Стандартная модель (СМ), которая описывает взаимодействие всех элементарных частиц, обладает определенной дискретной симметрией*. Таких симметрий существует несколько, а CP-симметрия, или комбинированная четность, — это сочетание С-(зарядовой) и Р- (пространственной) четности. Зарядовое сопряжение (операция по замене частицы на античастицу) предполагает, что к античастицам физические законы применимы точно так же, как и к обычным частицам. Пространственную четность часто сравнивают с отражением в зеркале: в мире, отраженном в зеркале, все физические законы действуют точно так же. Обе эти симметрии справедливы для электромагнитного и сильного взаимодействий, но не для слабого.

[Ch.]: А что не так со слабым взаимодействием?

[АБ]: Скажем так, вначале физики верили в то, что все взаимодействия инвариантны относительно и пространственной, и зарядовой четности. Эта вера основывалась на умозрительных представлениях об устройстве взаимодействий, ведь С- и Р-симметрии очень хорошо выполняются для электромагнитных взаимодействий, которые были хорошо изучены теоретически и экспериментально на тот момент. Ученым казалось, что это и есть некий всеобщий закон природы, однако по мере развития эксперимента и получения новых данных о свойствах частиц, выяснилось, что это не так в случае слабого взаимодействия, а слабое взаимодействие приводит к бета-активности ядер и достаточно широко проявляет себя в природе. В конце концов экспериментальным путем удалось установить, что в слабом взаимодействии нарушается одновременно как Р-, так и С-четность.

Александр Бондарь рядом с детектором СНД на коллайдере ВЭПП-2000 (находится в ИЯФ СО РАН)
Описание
Александр Бондарь рядом с детектором СНД на коллайдере ВЭПП-2000 (находится в ИЯФ СО РАН)

[Ch.]: Почему это происходит?

[АБ]: Это вопрос достаточно сложный, и ответ на него, по-моему, пока не знает никто.  Можно сказать, что так происходит, потому что так происходит, и это будет правильно. Но не исключено, что есть и какая-то более глубокая причина. Возможно, она связана с тем, что в слабых взаимодействиях участвуют не только кварки, но и нейтрино. Судя по всему, свойства нейтрино и определяют устройство слабого взаимодействия. Дело в том, что нейтрино существуют с определенной спиральностью**: у нас есть левое нейтрино и правое антинейтрино, а вот правого нейтрино в природе не обнаружено. Возможно, так происходит из-за того, что, например, правое нейтрино обладает очень большой массой, и поэтому при наших (небольших) энергиях***, в которых мы реально наблюдаем эти явления, симметрия между левым и правым нарушена. Но, возможно, что при очень больших энергиях, где правое нейтрино может считаться безмассовым, эта симметрия восстанавливается. Для чего это сделано в природе? Есть подозрение, что это нужно для того, чтобы в конце концов нарушить симметрию между частицами и античастицами.

[Ch.]: Зачем вообще нужно такое нарушение симметрии? Почему во Вселенной наблюдается большая диспропорция в соотношении частиц и античастиц?

[АБ]: Мы точно знаем, что в момент образования Вселенной число частиц и античастиц совпадало с очень высокой точностью — лучше, чем одна миллиардная, однако потом, когда основная масса частиц и античастиц проаннигилировала, остались только частицы. Если бы в природе существовала абсолютная симметрия между свойствами частиц и античастиц, в настоящий момент наша Вселенная представляла бы собой скорее фотонный газ. Не было бы ни звезд, ни планет — только скучный газ из фотонов. В действительности, конечно, это не так. Физики очень не любят нарушения симметрий, потому что в уравнения, описывающие взаимодействие частиц, трудно их ввести, не нарушив самосогласованности теории. Для этого должны быть какие-то специальные механизмы нарушения симметрии. Физики их ищут. Обнаруженное в начале 60-х годов нарушение СР-симметрии в распадах нейтральных странных мезонов (каонов) послужило очень важным прорывом в нашем понимании природы образования наблюдаемой асимметрии Вселенной, асимметрии отношения частиц и античастиц. С одной стороны, экспериментальное обнаружение асимметрии создало некую надежду, что мы поймем, разберемся со временем, с чем связана наблюдаемая асимметрия, но за эти вот уже 55 лет окончательного понимания не возникло. Хотя, конечно, физики природу нарушения СР-симметрии понимают намного лучше, чем раньше.

[Ch.]: Сначала нарушения СР-симметрии обнаружили в распадах каонов, потом — в распадах B-мезонов…

[АБ]: На самом деле, между этими событиями произошло довольно много всего. Вначале очень важный шаг был сделан японскими физиками Макото Кобаяши и Тосихидэ Маскава. Они предложили схему, в которой нарушение СР-симметрии в Стандартной модели возникает, как они тогда говорили, косвенно: нельзя ведь просто так нарушить симметрию, хорошо проверенную теорией — требовалось время и очень смелые идеи и предположения. В итоге Кобаяши и Маскава предположили, что кварков в природе существует не три, как на тот момент было известно экспериментально, а шесть, и эта смелая идея позволила разрешить проблему модернизации Стандартной модели таким образом, чтобы в ней возникало СР-нарушение в слабых распадах частиц. Само по себе это предположение блестяще подтвердилось уже в 1974 году, когда был обнаружен с-кварк, и потом еще раз, в 1977 году, с обнаружением b-кварка.

[Ch.]: Как именно физикам удалось проверить теорию  СР-нарушения в слабых распадах?

[АБ]: Изначально было понятно, что эта идея правильная, но для того, чтобы ее окончательно проверить, физикам пришлось придумать и построить новый тип установок на встречных пучках — так называемые b-фабрики, установки с ассиметричными по энергии встречными пучками. Они были построены в Японии (КЕКВ, лаборатория КЕК) и в США (PEP-II, лаборатория SLAC). В результате почти десяти лет работы этих коллайдеров удалось сначала обнаружить, а потом и довольно хорошо изучить различные проявления СР-нарушения в распадах B-мезонов. Наше понимание Стандартной модели и СР-нарушений в ней значительно продвинулось вперед в результате этих исследований. Достаточно сказать, что в распадах В-мезонов СР-нарушение обнаружили в 2001 году, а новые явления обнаруживаются до сих пор: В-фабрики продолжают выдавать результаты на этом пути.  Установка в США уже не работает, но на японской SuperKEKB недавно завершилась модернизация и начался новый эксперимент BelleII, в котором также принимают участие ИЯФ СО РАН и НГУ.

[Ch.]: Недавно коллаборация LHCb, в которую тоже входят ИЯФ СО РАН и НГУ, объявила об обнаружении СР-нарушения в распадах D0-мезонов, которые состоят из очарованных (с)кварков и верхних (u) антикварков.

[АБ]: LHCb — это специализированный детектор для исследования СР-нарушений в распадах мезонов на Большом адронном коллайдере. Что касается недавно объявленного результата, это очередной шаг к пониманию этого явления. В дополнение к странным (s) и прелестным (b) кваркам, теперь есть наблюдение СР-нарушения в распадах очарованных (c) кварков. Стандартная модель допускает СР-нарушения в таких распадах, но предсказывает, что это нарушение должно быть существенно меньше, чем в распадах прелестных (b) кварков.

[Ch.]: А что значит «меньше»? Как вообще можно измерить симметрию и ее нарушение?

[АБ]: По абсолютной величине. Асимметрия — это безразмерная величина, ее нужно сравнивать с единицей. Эффекты СР-нарушения в распадах нейтральных каонов — это примерно 0,1 процента. В то же время в распадах прелестных частиц (мезонов и барионов), содержащих b-кварк, такие эффекты могут достигать величины порядка единицы — до 100 процентов. Относительно распадов очарованных частиц Стандартная модель предсказывает, что в разрешенных распадах, когда с-кварк превращается в s-кварк, СР-нарушения ожидаются очень слабыми. Но в то же время в так называемых запрещенных или «кабиббо-подавленных» распадах, когда с-кварк в результате слабого взаимодействия превращается в d-кварк, можно ожидать эффектов на уровне 0,1 процента. И наблюдаемый сейчас результат по масштабу согласуется со Стандартной моделью.

[Ch.]: Получается, данные подтверждают теорию, которая уже была заложена в Стандартной модели. Что делать с этим дальше?

[АБ]: Я бы не говорил так однозначно, что данные подтверждают теорию. Лучше сказать, что наблюдаемые СР-нарушения в распадах очарованных мезонов не противоречат ожиданиям Стандартной модели. Но для того, чтобы проверить, действительно ли наши данные согласуются с ожиданиями Стандартной модели, требуется большая работа — более точные эксперименты по поиску проявлений таких же эффектов в других распадах. Следующий шаг — это прецизионные измерения всех этих эффектов в еще более точных экспериментах, и здесь уже очень пригодилась бы, например, наша будущая Супер С-тау фабрика.

Справка «Чердака»: Супер С-Тау фабрика — это электрон-позитронный коллайдер, который планируется построить на территории ИЯФ СО РАН. Основная цель экспериментов на будущей установке — изучение процессов рождения очарованных кварков и тау-лептонов, поиск новых физических эффектов, не описываемых Стандартной моделью.

В 2011 году правительственная комиссия отобрала шесть проектов класса мегасайенс для реализации на территории Российской Федерации (PIK, NICA, IGNITOR, ИССИ-4, XCELS и Супер С-Тау фабрика). В 2017 году проект Супер С-Тау фабрики в числе других проектов включен в План реализации Стратегии научно-технологического развития России. Он также вошел в число научных проектов, планируемых к реализации в рамках программы развития Новосибирского научного центра, известной как «Академгородок 2.0».

Другое направление, в котором, как мне кажется, наука будет развиваться в ближайшее время, — это поиск нарушения СР-симметрии в осцилляциях нейтрино****. Это совсем другой класс экспериментов, сейчас они проводятся на искусственно созданных пучках нейтрино на установках в Японии и в США. Там стоит задача обнаружить или по крайней мере ограничить величину наблюдаемого нарушения СР-симметрии в осцилляциях. Это тоже интересная задача, которая существенно улучшит наше понимание таких явлений. Не исключено, что в перспективе мы имеем шанс лучше понять механизм возникновения симметрии вещество/антивещество, в зависимости от тех результатов, которые мы будем получать.

[Ch.]: Если понять механизм возникновения вещества и антивещества, возможно будет объяснить существующий между ними дисбаланс?

[АБ]: Сложно сказать. По крайней мере, изучение нарушения СР-симметрии и свойств элементарных частиц необходимо для того, чтобы понимать, можно ли этим объяснить то, что мы наблюдаем во Вселенной, или нет.

[Ch.]: А если вдруг выяснится, что нельзя?

[АБ]: Это интересно, это будет означать, что нарушение симметрии вещество/антивещество во Вселенной произошло по другим причинам. И причины эти могут быть достаточно экзотическими и связанными не со свойствами вещества, а, может быть, с какими-то механизмами образования Вселенной, которые мы пока не знаем или не понимаем.

[Ch.]: То есть нужно будет искать дальше, где-то в другом месте?

[АБ]:  Конечно, потому что это очень важный вопрос. Если мы не знаем на него ответа, то мы, в общем-то, не понимаем действующих в природе механизмов, которые привели к образованию наблюдаемого мира. Это всегда будет вызывать неудовлетворенность.

 Анастасия Папина