Przeskocz do treści

Delta mi!

Loading

Elementarz cząstek elementarnych

Od LEP-u do LHC: fizyka zapachu i naruszenie CP

Piotr Chankowski

o artykule ...

  • Publikacja w Delcie: czerwiec 2016
  • Publikacja elektroniczna: 1 czerwca 2016
  • Autor: Piotr Chankowski
    Afiliacja: Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski
  • Wersja do druku [application/pdf]: (74 KB)

Nawet po odkryciu trzeciej rodziny fermionów (kwarków |b i t; leptonu ø i neutrina |˚ø) otwarte pozostawało pytanie, czy słuszna jest propozycja Kobayashiego i Maskawy opisana w odcinku III, według której za niezachowanie symetrii CP, zamieniającej cząstki na ich antycząstki, odpowiada tylko jeden parametr - wspomniany w odcinku I kąt |ffi: Jeszcze przed powstaniem Modelu Standardowego wysunięta została hipoteza, że za niezachowanie CP jest odpowiedzialne nie oddziaływanie słabe, lecz jakieś inne, jeszcze słabsze oddziaływanie, które zawsze zmienia dziwność hadronu o dwie jednostki...

Według tej propozycji rozpad KL π π zachodziłby tylko poprzez mieszanie się mezonów K0 i  --- |K0 opisywane parametrem . ε Model Standardowy uwzględniający propozycję Kobayashiego i Maskawy przewiduje natomiast, że za rozpad ten odpowiedzialne są dwa mechanizmy: łamanie CP w mieszaniu i łamanie bezpośrednie opisywane parametrem |ε′. Rozstrzygnięcie tej kontrowersji wymagało zmierzenia |ε′/ε. Sytuacja była niepewna aż do końca XX wieku, gdyż dwa eksperymenty, NA31 w CERN-ie i E731 w Fermilabie, dawały sprzeczne wyniki, przy czym wynik drugiej grupy był w granicach błędu zgodny z  ′ ε = 0. Dopiero w roku 1999 nowe eksperymenty, NA48 w CERN-ie i KTeV w Fermilabie, zgodnie potwierdziły niezerową wartość ε′. Co więcej, rachunki teoretyczne pokazują, że Model Standardowy przewiduje wartość Re( ε′/ε) zgodną z danymi.

Póki znane były tylko trzy kwarki u, d i s, fizyka zapachu była z konieczności ograniczona do badania procesów, w których zmianie ulega dziwność, a najciekawszymi cząstkami pod tym względem były neutralne kaony, gdyż tylko w ich rozpadach i mieszaniu obserwowane były efekty łamania symetrii CP (∆ 4, ∆4 ). 89 99 Opisane w odcinku IV odkrycie cięższych kwarków c i |b i w końcu kwarka t otworzyło przed badaniami nowe obszary (ponieważ rodzaje kwarków nazywa się zapachami, ten dział fizyki nazywa się zachęcająco "fizyką ciężkich zapachów"). Ważnym polem badań zarówno doświadczalnych, jak i teoretycznych stało się wyznaczanie elementów macierzy CKM z rozpadów, w których zapach kwarka ulega zmianie wskutek wymiany jednego wirtualnego bozonu |W, który przechodzi później w parę leptonów (pozwala to wyznaczać tylko wartości bezwzględne elementów macierzy CKM) i następnie sprawdzanie, czy procesy rzadkie, w tym także te, w których niezachowane jest CP, są poprawnie opisane przez Model Standardowy. Ponieważ procesom rzadkim odpowiadają tylko diagramy z zamkniętymi pętlami, ich amplitudy mogłyby łatwo być modyfikowane przez dodatkowe pętle, których linie odpowiadają cząstkom spoza Modelu Standardowego. W związku z tym bardzo poważnie liczono na to, że właśnie w fizyce ciężkich zapachów i naruszenia CP odkryte zostaną odstępstwa od przewidywań tej teorii objawiające się niezgodnościami przy wyznaczaniu elementów macierzy CKM z kombinacji danych dotyczących różnych procesów.

W XXI wieku dzięki uruchomieniu w SLAC (USA) i KEK (Japonia) eksperymentów BaBar i BELLE, czyli akceleratorów stanowiących "fabryki" mezonów |B, udało się przeprowadzić dokładne pomiary wielu słabych rozpadów tych cząstek, w tym także rozpadów niezachowujących CP. Zmierzono zarówno efekty bezpośredniego łamania symetrii CP, jak też i efekty łamania CP zachodzącego przez mieszanie mezonów |B0 i --- B0 (∆ 1101,∆ 1202), analogiczne do mieszania neutralnych kaonów. W odróżnieniu od efektów łamania CP w rozpadach kaonów  4 |(∆89), które są bardzo małe (na poziomie  −3 10 , a więc występują w jednym rozpadzie na tysiąc), w przypadku rozpadów mezonów B efekty takie są rzędu od 0,1 do 1. W tych przypadkach, w których udaje się przeprowadzić wystarczająco dokładne rachunki (np. dla |B0 J/ψKS ), przewidywania Modelu Standardowego są zgodne z danymi |(∆1022). Badanie procesów, w których CP nie jest zachowywane, jest obecnie z powodzeniem kontynuowane przez eksperyment LHCb przy LHC. W szczególności udało się tam po raz pierwszy zaobserwować efekty bezpośredniego łamania CP w rozpadach zawierających kwark c lub c¯ mezonów powabnych (∆1). D 12

Mimo iż najczęściej rozpatrywane uogólnienia Modelu Standardowego (zwłaszcza teorie supersymetryczne) przewidywały, że efekty "nowej fizyki" powinny najwyraźniej przejawiać się w oddziaływaniach najcięższych kwarków ( b i |t), do dziś nie zarejestrowano tu żadnych przekonujących (w sensie statystycznej istotności) odstępstw od przewidywań Modelu Standardowego.