Elementarz cząstek elementarnych

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

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...

Na Marginesie

Czysta chromodynamika przewiduje (jak się przyjmuje, bo obliczyć tego się jeszcze nie daje) istnienie dwóch cząstek, $K0$ ( $ds | ¯$ i $K0-$ ( $ds | ¯ ,$ o takich samych masach i dziwnościach $| 1$ i $|1.$ Dziwność nie jest jednak zachowywana przez oddziaływania słabe, co powoduje, że fizycznymi cząstkami są nie $|K0$ i $K0,---$ lecz ich pewne mieszanki $|K L$ i $K S$ - długo- i krótkożyciowe neutralne kaony. Gdyby pominąć łamanie CP, tymi fizycznymi mezonami byłyby cząstki o dobrze określonych wartościach CP. Przy zamianie cząstek na antycząstki i odwrotnie kombinacja $1 --- K2 --- K0 K0 2$ zmienia znak, ma więc $|CP 1,$ zaś kombinacja $1 --- K1 --- K0 K0 2$ pozostaje niezmieniona, ma więc $CP 1.$ Na dwa mezony $π,$ które razem mają $CP 1,$ mógłby się więc rozpadać tylko $|K1,$ a $K2$ - tylko na trzy mezony $π$ mające $CP | 1$ i znacznie mniejszą objętość dostępnej przestrzeni fazowej stanu trzech $|π$ tłumaczy wtedy (zob. odcinek I), dlaczego $K 2$ żyje dużo dłużej niż $K . 1$ Łamanie CP komplikuje powyższą analizę: $K K εK , L 2 1$ $|K K εK , S 1 2$ gdzie $|ε$ jest liczbą zespoloną o małym module. Są wówczas możliwe dwa sposoby zajścia niezachowującego CP rozpadu mezonu $| KL$ na dwa mezony $| π$ : albo rozpadowi może ulec składowa $K1$ mezonu $KL |$ (ten efekt mierzy parametr $|ε$ ), albo na dwa mezony $π$ rozpaść się może bezpośrednio składowa $K2 |$ (ten efekt jest mierzony parametrem $ε$ ).

Diagramy Modelu Standardowego odpowiedzialne za mieszanie $0 --- K | K0.$ Wartość otrzymywanej z nich amplitudy silnie redukuje opisany w odcinku III mechanizm GIM. Podobny jest mechanizm mieszania mezonów $- 0D0 |D$ i $-- B0 B0.$ W tym ostatnim przypadku dominujący przyczynek do amplitudy mieszania daje kwark $t,$ co pozwoliło wnioskować o wartości jego masy jeszcze przed bezpośrednim odkryciem (odcinek IV).

Unitarność macierzy CKM koreluje przewidywania Modelu Standardowego dla procesów rzadkich i tych, w których niezachowywane jest CP. W szczególności sprawia ona, że o niezerowej wartości kąta $δ$ (czyli o łamaniu symetrii CP) można wnioskować także na podstawie samych wartości bezwzględnych elementów macierzy CKM wyznaczonych z procesów, w których CP jest zachowywane.

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.