Současné představy o mikrosvětě vystihuje tzv. Standardní model, který se vyvíjel od počátku šedesátých let minulého století. Dnes pomocí této teorie dokážeme velmi přesně popsat většinu dějů v mikrosvětě. Standardní model je ale do značné míry vybudován na základě výsledků mnoha experimentů a jeho platnost je omezena na energie, které bylo možno v experimentech dosáhnout. Platnost Standardního modelu je obtížné extrapolovat do vysokých energií, a proto je někdy nazýván nízkoenergetickou limitou skutečnosti. Na vysokých energiích se uplatňují procesy zatím neznámé, které se na současně dosažitelných energiích mohou projevovat jako odchylky od Standardního modelu. Podobnou odchylku pozorovali fyzikové v laboratoři Fermilab nedaleko Chicaga v USA. Jednalo se o projev anomálního narušení CP symetrie při rozpadech B mezonů.
Logo komplexu Fermilab
|
Fermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V současné době je zde druhý největší urychlovač světa – Tevatron. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). V současnosti se Fermilab zabývá výzkumem „b“ a „t“ kvarku, výrobou a výzkumem antivodíku, narušením CP symetrie, zkoumáním platnosti CPT symetrie a výzkumem řady dalších vlastností hmoty a antihmoty za vysokých energií. D-Zero – D0, DØ, DZERO, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. D0 pracuje již od roku 1992 a zaměstnává přibližně 550 vědců z 18-ti zemí světa. Detektor má rozměry 9×9×15 m a váží kolem 5 000 tun. Mezi největší objevy patří objev „b“ (bottom) kvarku, „t“ (top) kvarku a exotických baryonů Ξb a Ωb. Jedním z nejvýznamnějších současných projektů je studium narušení CP symetrie a hledání Higgsova bosonu. Pomocí dat z D0 byl výrazně omezen rozsah možných hmotností této částice. CDF – Collider Detector at Fermilab, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. CDF má tvar krychle o hraně 12 m a váží 6 000 tun. Více než 500 fyziků pracuje na detektoru, kde byly objeveny kvarky „b“ (bottom) a „t“ (top). V současné době (2010) detektor nabírá statistiku a také probíhá intenzívní hledání Higgsova bosonu v již nasbíraných datech. Brzy ho ale v množství nasbíraných dat předběhnou experimenty na urychlovači LHC. Mion – těžký elektron, hmotnost má 207 me. Střední doba života je přibližně 2×10−6 s. Těžký elektron se rozpadá na stabilní elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino. Mion se vyskytuje v sekundárních sprškách z kosmického záření. Mion byl objeven C. Andersonem v kosmickém záření za pomoci mlžné komory v roce 1936. Mezon – částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Název vznikl z toho, že první objevené mezony měly hmotnost „mezi“ hmotností elektronu a protonu. Pokud se kvarky složí s nesouhlasným spinem, vznikne skalární mezon (má nulový spin), pokud se souhlasným spinem vznikne vektorový mezon (spin má roven jedné). Skalární mezony zkombinované z kvarků „d“ a „u“ nazýváme piony, vektorové róony. Pokud mezon obsahuje kvark „s“, nazývá se kaon. Kvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. |
Oscilace B mezonů a narušení CP symetrie
B mezony jsou vázané stavy kvarku a antikvarku, kde jeden z nich je kvark (antikvark) typu b. Jedná se o poměrně těžké částice – nejlehčí z nich mají hmotnost 5,28 GeV – jsou tedy více než pětkrát hmotnější než proton . V dalším textu nás budou zajímat zejména neutrální B mezony (dále jen B mezony), které jsou kompozicí kvarků anti b a d (bd – viz obrázek níže) a nebo anti b a s (bs). B mezony mají také svoje antičástice složené z příslušných kvarků a antikvarků. Neutrální mezony obecně mají velmi zvláštní vlastnosti. Protože B0 a B0 (pruh nad symbolem částice znamená antičástici) mají stejná kvantová čísla, která zachovává slabá interakce (elektrický náboj, baryonové číslo a leptonové číslo), tak ve slabých procesech není možné rozlišit tyto částice od antičástic. B0 se tak může přeměnit na svoji antičástici B0. V průběhu života B0 můžeme na tuto částici nahlížet jako na superpozici mezonů B0 a B0. Tomuto jevu se říká oscilace B mezonů. V řeči kvantové teorie pole je možné tyto oscilace vysvětlit pomocí Feynmanových diagramů obsahujících smyčky virtuálních částic (viz obrázek níže). Zajímavostí je, že studiem oscilací B mezonů bylo možno alespoň přibližně odhadnout obrovskou hmotnost top kvarku pomocí jeho příspěvku v těchto smyčkách virtuálních částic ještě před jeho vlastním objevením. Nyní víme, že má hmotnost 171,2 GeV.
Neutrální B mezon složený z kvarku anti b a kvarku d spolu se svojí antičásticí.
Feynmanovy diagramy procesů, které mají největší
příspěvek k oscilacím B mezonů. Zdroj: [1].
Slabá interakce se vyznačuje tím, že narušuje paritu v maximální možné míře. Parita je druh symetrie systému vůči záměně částic za jejich zrcadlové obrazy. Slabá interakce ale narušuje také C symetrii (nábojovou) , což je symetrie vůči záměně částic za antičástice. Většina slabých procesů zachovává CP symetrii , která je kombinací C a P symetrie. Existují však slabé procesy, u nichž dochází k narušení i této symetrie. Poprvé pozorovali narušení CP symetrie fyzikové James Cronin a Val Fitch u rozpadu neutrálních kaonů už v roce 1964. Narušení CP symetrie se projevuje také u B mezonu . Pro detailní studie narušení CP symetrie u těchto částic byly postaveny tzv. továrny na B mezony – elektron-pozitronové urychlovače, které umožňují nastavit energii srážek přesně na klidovou hmotnost mezonu upsilon (značí se Υ) v excitovaném stavu 4S (10,579 GeV), který se skládá z kvarku b a antikvarku b. Upsilon je produkován s vysokou účinností s velmi nízkým pozadím. Upsilon se rozpadá na pár B mezonů, což umožňuje efektivně studovat jak jejich oscilace, tak narušení CP symetrie. Celkem byly postaveny dvě takové továrny na produkci B mezonů – experiment Belle na urychlovači KEKB v Japonsku a experiment BaBar na urychlovači PEP–II v laboratoři SLAC v USA.
Anomální narušení CP symetrie
Studium oscilací B mezonů bylo prováděno také na urychlovači Tevatron v laboratoři Fermilab v USA, ovšem za zcela jiných podmínek, než v B mezonových továrnách. Na Tevatronu se srážejí protony a antiprotony o energii téměř 2 TeV v těžišťové soustavě (prvním rozdílem je tedy mnohem vyšší energie). Protony jsou komplikované objekty skládající se ze třech valenčních kvarků , moře virtuálních kvarků a také z gluonů . Druhým rozdílem je, že spolu s B mezony je produkováno obrovské množství dalších částic, které zvyšují nejistotu měření.
Celkový pohled na urychlovač Tevatron ve Fermilabu nedaleko Chicaga. V popředí se nachází injektor urychlovače, v pozadí hlavní urychlovač, jehož obvod je 6,28 km.
Detektor D0 – jeden ze dvou velkých detekčních systémů na urychlovači Tevatron.
Při proton-antiprotonových srážkách na urychlovači Tevatron často vznikají páry kvarků b, b, které hadronizují na páry B mezonů. Fyzikové pracující na experimentu D0D zkoumali jejich semileptonické rozpady. Tento druh rozpadu je znázorněn pomocí Feynmanova diagramu na obrázku níže, kde se b kvark nejprve rozpadne na W boson a c kvark. W boson se dále rozpadne na mion a mionové neutrino . Tento rozpadový kanál byl zvolen právě kvůli snadné identifikaci mionů v detektoru.
Feynmanovy diagramy rozpadů b kvarků, ze kterých se skládají B mezony.
Měření na detektoru D0 , která probíhala od dubna 2002 do června 2009, ukázala neobvyklou nábojovou asymetrii mionů v rozpadech B mezonů. V průběhu měření se hledaly události, kdy rozpadové produkty dvojice B0, B0 obsahovaly dva miony nebo dva antimiony. Takové události vznikají, když se B0 obsahující kvark b rozpadne výše popsaným způsobem na antimion (a další částice) a B0 díky oscilaci přejde na obyčejný B mezon, v jehož koncovém stavu nalezneme také antimion. Pokud zaosciluje B0, můžeme naopak dostat dvojici mionů. Kdyby platila CP symetrie zcela přesně, tak by mělo docházet k oběma procesům se stejnou pravděpodobností. Veličina A, charakterizující rozdíl v produkci párů mionů a antimionů, je definována takto:
kde N++ je počet párů antimionů a N−− je počet párů mionů. Standardní model předpovídá (s ohledem na známé narušení CP symetrie ) hodnotu A = −0,00023. Na experimentu D0 byla změřena hodnota A = −0,00957. Fyzikové přičítají tuto nábojovou asymetrii anomálnímu narušení CP symetrie způsobenému oscilacemi B mezonů . Při experimentu se více B mezonů rozpadlo na částice hmoty než na částice antihmoty, a to o necelé jedno procento. Skutečnost, že se teoretická hodnota od experimentální velmi liší, i když započítáme chyby měření, je možná projevem nové fyziky, kterou současný Standardní model neobsahuje.
Závěr
Pokud je naměřená asymetrie skutečná, mělo by ji být možné prokázat na jiném experimentu. Nyní se nabízí možnost provést podobné měření na urychlovači LHC . Přestože LHC poskytne vyšší energie částic a vyšší luminozitu svazku, tak produkce párů B mezonů a zkoumání jejich rozpadů může být silně ovlivněno pozadím – zejména kvůli tomu, že LHC sráží protony . Narušení CP symetrie vedlo v raných stádiích vesmíru k převaze hmoty nad antihmotou. Je to dokonce jedna ze tří Sacharovových podmínek (podmínky pro to, aby se vesmír, v němž bylo na začátku stejně hmoty jako antihmoty, mohl vyvinout ve vesmír s výraznou nadvládou hmoty nad antihmotou). Sacharov ukázal v roce 1968, že k tomu může dojít, pokud:
1) proton je nestabilní,
2) existuje narušení CP symetrie,
3) vesmír prošel fází rychlé expanze. pro vznik vesmíru, v němž dominuje hmota nad antihmotou . Narušení CP symetrie předpovězené Standardním modelem, ani anomální narušení pozorované na detektoru D0 není natolik významné, aby vysvětlilo nerovnováhu mezi hmotou a antihmotou ve vesmíru, nicméně jde o další významný krok vedoucí k pochopení této záhady. Zdá se tedy, že jsme na prahu dalšího objevu, který čeká na hlubší prozkoumání.
1. O. Schneider: B0-B0bar mixing; arXiv:hep-ex/0606040v1, 2006
2. D0 Collaboration: Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry; arXiv:1005.2757v1
3. D0 Homepage
4. D0 sees anomalous asymmetry in decays of B mesons; CERN Courier, July 20, 2010
