Ответы из коллайдера: обзор научных новостей

Барионную асимметрию Вселенной не может объяснить ни Стандартная модель, ни теория относительности. В ходе экспериментов с очарованными мезонами на БАКе ученые, возможно, нащупали разгадку. Коротко об этом и других открытиях в области физики элементарных частиц.

Мезоны превращаются…

В ходе эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере при участии российских ученых из ПИЯФа с рекордной точностью измерена частота осцилляций, возникающих из-за процессов смешивания прелестно-странных мезонов (Bs) и их антиподов — ​анти-Bs. Для этих квантовых образований характерны спонтанные переходы из частицы в античастицу и обратно — ​осцилляции. Частоту осцилляций на БАКе вычислили, проанализировав массовые состояния в процессе распространения Bs и анти-Bs в веществе. Как сообщает ПИЯФ, результат эксперимента можно использовать для уточнения значений элементов квантового смешивания — ​основополагающих констант Стандартной модели.

Ученые знали, что к осцилляциям склонен и другой мезон — ​очарованный. Но последние эксперименты группы Оксфордского университета на БАКе показали, что с этой частицей все еще более странно: она может быть одновременно античастицей. Такое состояние называется квантовой суперпозицией и, как правило, ассоциируется с неэкзотической материей вроде фотонов, атомов и искусственных атомоподобных систем. Теперь оказалось, что суперпозиция возможна между состояниями «частица — ​античастица», то есть, по сути, между разными частицами. Это открытие может изменить наше представление о Вселенной, объяснив ее барионную асимметрию — ​наблюдаемое преобладание в видимой части Вселенной вещества над антивеществом. Может, частицы материи, подобно очарованным мезонам, в момент Большого взрыва были одновременно и античастицами?

Треугольная сингулярность

Международная группа ученых, возглавляемая сотрудниками Боннского университета, впервые подтвердила в эксперименте явление треугольной сингулярности, предсказанное Львом Ландау в 1950‑е. Именно треугольная сингулярность, утверждал Ландау, несет ответственность за то, что при некоторых условиях элементарные частицы обмениваются кварками и превращаются в частицы других типов. Это явление также подтверждает то, что масса протонов, нейтронов и многих других частиц больше, чем можно было бы ожидать с точки зрения многих современных теорий. Причина кроется в некоторых особенностях сильных ядерных взаимодействий, которые скрепляют и удерживают кварки.

Чтобы опытным путем подтвердить треугольную сингулярность, ученые обстреливали пионами атомы водорода на ускорителе SPS (протонный суперсинхротрон). Пион состоит из кварка и антикварка, скрепляемых сильными ядерными взаимодействиями. Они притягиваются, как два разнополюсных магнита. Однако магниты при удалении притягиваются друг к другу все слабее, а кварк и антикварк, наоборот, все сильнее, как будто между ними пружина. Ученые фиксировали, как при столкновении с атомами водорода эта «пружина» рвалась, выделялось большое количество ядерной энергии и возникали некие промежуточные частицы, содержащие кварки и антикварки. Промежуточные частицы моментально распадались, а находящиеся рядом частицы, участвующие в столкновении, обменивались кварками и меняли свой тип. Данные эксперимента позволят лучше понять некоторые свойства сильных ядерных взаимодействий и как эти взаимодействия влияют на массу элементарных частиц, утверждают авторы исследований.