Фотография BaBar детектора
Forwards and backwards at BaBar
BaBar проводит впервые прямые измерения нарушения T-симметрии
В коллаборации BaBar сделаны впервые прямые наблюдения нарушения обращения времени. Полученные результаты находятся в согласии с основными принципами квантовой теории поля и показывают различия в скорости переходов квантовых состояний B
0
-мезона друг в друга. Исследователи говорят, что это измеренное отсутствие симметрии является статистически значимым и соответствует косвенным наблюдениям.
Детектор BaBar в PEP-II установке SLAC в Калифорнии был предназначен для изучения столкновений электронов и позитронов и определения различия между материей и антиматерией. В частности, физики, работающие в этом эксперименте заинтересованы в нарушении зарядово-пространственной симметрии (или нарушения СР-инвариантности). Хотя детектор был списан весной 2008 года, данные, собранные в период его работы продолжают анализироваться.
Симметрии Вселенной
Наше нынешнее понимание Вселенной предполагает, что она регулируется определенными фундаментальными симметриями. Одна из этих симметрий указывает на соотношение между зарядом (C), четностью или «леворукостью» (P), и временем (T) - это означает, что если вы примените преобразование CPT к системе, то полученная система ничем не отличается от исходной системы. Тем не менее, физики постоянно ищут любые возможные признаки СРТ-нарушения, что могло бы указывать на наличие новой физики. В области слабых сил наблюдаются случаи нарушения отдельных симметрий - инверсии четности или комбинации инверсии четности и зарядового сопряжения (CP). Таким образом, ожидается, что эти системы будут также обнаруживать асимметрию по обращению времени. То есть, переход от одного состояния к другому будет происходить с разной скоростью, когда обращают процесс во времени, тем самым показывая T-нарушение.
«В то время как нарушения СР-инвариантности в группе B-мезонов хорошо известны благодаря и BaBar, и Belle, все проверки CPT-нарушения всегда были с нуля», говорит Патрик Копенбург (Patrick Koppenburg), физик из голландского Национального института субатомной физики (NIKHEF), и Член коллаборации LHCb в ЦЕРН. «Таким образом, наблюдение T-нарушения не является сюрпризом, но оно все еще нуждаются в проверке». Действительно, физики ждали почти 50 лет, чтобы сделать это прямое наблюдение с момента обнаружения нарушения CP-инвариантности в 1964 году. Открытие также пришло через 14 лет после другого эксперимента - эксперимента CPLEAR, -
утверждавшего о первом экспериментальном доказательстве нарушения в 1998 году
, что оказалось спорным.
Проверка стрелы времени
Электрон-позитронные столкновения в BaBar настроены на энергию необходимую для производства Υ(4S)-мезонов, состоящих из нижнего кварка и его антикварка. Эти Υ частицы быстро распадаются на B-мезоны, такие как нейтральные B
0
-мезоны, используемые в этом исследовании.
За 10 лет работы, детектор BaBar обнаружил почти полтора миллиарда пар B и анти-В-мезонов. Так как эти пары создаются одной и той же частицей Υ, они наследуют свои квантовые числа от этой родительской Υ-частицы. Это «перепутывание» двух одновременно произведенных B
0
-мезонов имеет решающее значение для наблюдения T-нарушения. «Поскольку глобальные квантовые числа системы B
0
-анти-B
0
устанавливаются распадом Υ(4S), то состояние первого B
0
-мезона распада - каким бы оно ни было - диктует состояние другого B
0
-мезона в это же время, которое само по себе распадается через некоторое время в другое состояние», объясняет Фернандо Мартинес-Видал (Fernando Martinez-Vidal), из института физики частиц в Университете Валенсии и Испанского Национального исследовательского совета (CSIC), один из физиков, работавших в этом исследовании. «При соответствующем выборе состояний, в которых первый и второй B
0
-мезоны распадаются, мы можем подготовить процессы для изучения и сопоставления».
Вперед и назад
В мире квантовой физики, отдельные мезоны могут быть выражены в виде суперпозиции, как линейные комбинации и B
0
, и анти-B
0
состояний (ароматов). Исследованы преобразования изменения B
0
-мезона из «ароматного» [чистого] состояния в состояние «линейной комбинации», и обращенного во времени обратного перехода от состояния «линейной комбинации» к «ароматному» состоянию. Начнем с того, что физики с детектора BaBar определяли аромат первого мезона в паре распада (B
0
или анти-B
0
) и использовали эту информацию, чтобы «пометить» аромат второго мезона. Принимая момент этого распада в качестве отправной точки, они измеряли время, которое потребовалось второму мезону для перехода в состояние линейной комбинации. Затем они выполняли измерения в обратном порядке: если первый мезон переходит в состояние линейной комбинации, эта информация может быть использована для определения состояния линейной комбинации второго мезона и измерить время, необходимое для его распада в «ароматное» состояние.
Таким образом, путем обмена начального и конечного состояний преобразования, физики могли видеть, были ли какие-либо различия в скорости каждого из этих преобразований. Неудивительно, что они обнаружили разницу, которую искали, с уровнем значимости в 14σ - в экспериментах физики элементарных частиц уровень значимости 5σ и выше считается критерием открытия.
Мы надеемся, что будут появляться новые результаты из данных собранных детектором BaBar.