Стандартная модель в опасности: на Большом адронном коллайдере обнаружили нарушения СР-инвариантности
Сотрудники LHCb, работающие на аппаратуре Большого адронного коллайдера, представили на проходившем в ноябре в Париже симпозиуме свидетельства нарушения CP-инвариантности (симметрии) в распадах «очарованных» D-мезонов. Этот результат способен дать толчок новым направлениям в ядерной физике, а то и подвергнуть сомнению существующие теории.
Человеку, далекому от физики, сообщение ученых мало о чем говорит. А у специалистов вызывает шок. Это все равно, что вы взглянули бы в зеркало и увидели свои глаза не на их привычном месте, а где-нибудь на подбородке или на затылке.
В физике понятие симметрии играет принципиальную роль. Почти такую же, как законы сохранения энергии и импульса. До середины ХХ века считалось, что у каждой частицы есть своя античастица — так называемое зарядовое сопряжение, обозначаемое буквой С.
Кроме того, физические системы должны иметь свои зеркальные отображения, в которых все физические законы также соблюдаются — так называемый закон четности, обозначается буквой Р. Совместное соблюдение обоих этих предположений называется СР-инвариантностью. Оно заложено в основание современной ядерной физики и входит в объединяющую все нынешние знания о макро- и микромире Стандартную модель. Из СР-инвариантности, например, следует существование наряду с материей еще и антиматерии.
Закон четности считался одним из фундаментальных геометрических законов сохранения до 1956 года, когда тщательный критический анализ накопленных экспериментальных данных выявил, что в процессах слабого взаимодействия сохранение четности не соблюдается: некоторые реакции происходят не так же часто, как их зеркальные двойники. Кроме того, оказалось, что понятие СР-инвариантности плохо стыкуется с другим фундаментальным утверждением современной космологии — о том, что наша Вселенная рождена во время Большого взрыва.
Действительно, если все ядерные реакции с материей и антиматерией симметричны, то во время Большого взрыва должно было родиться поровну как материи, так и антиматерии. А наяву этого не наблюдается: до сих пор нет экспериментальных доказательств существования хоть каких-нибудь значительных концентраций антиматерии в наблюдаемой Вселенной.
На поиск причин такой космической несправедливости были брошены силы лучших физиков мира. Значительную лепту внес в решение этой проблемы академик Андрей Сахаров. Усилия ученых в этом направлении в разные годы были оценены целой охапкой Нобелевских премий. Но результаты не удовлетворяли ни физиков, работавших над развитием Стандартной модели, ни астрономов, пытающихся понять, куда из нашей Вселенной пропала антиматерия.
Так что эксперимент, проведенный недавно на Большом адронном коллайдере, отчасти приоткрывает завесу тайны над этой проблемой. Детектор LHCb, установленный на БАК, ориентирован на изучение B-мезонов — частиц, содержащих так называемый «прелестный» b-кварк. Новое исследование, однако, посвящено «непрофильным» для LHCb D-мезонам. Были рассмотрены процессы распада частицы D+ и соответствующей ей античастицы D–.
Доказано, что они распадаются несколько по-разному. Ученые насчитали расхождение в цепочке распадов в 0,82%, а это очень много: нынешняя квантовая теория строения мира предсказывает, что это количество должно быть менее 0,1%. Существует лишь ничтожный шанс на то, что результаты наблюдений — проявление случайности. Таким образом, говорят ученые, симметрия в микромире имеет явные нарушения. И гипотетическое зеркало, о котором мы написали в начале статьи, все-таки слегка привирает!