Десять миллиардов столкновений для проверки фундаментальных законов физики.
Группа ученых международной коллаборации BESIII впервые за последние три десятилетия провела экспериментальное определение одного из критических параметров Стандартной модели, используя процесс распада лямбда-гиперонов. Специалисты применили явление квантовой запутанности между материальной частицей и ее античастицей для более полного изучения редкого процесса распада, который ранее было невозможно измерить с необходимой точностью. Полученные данные подтверждают одно из главных условий Стандартной модели и одновременно предоставляют дополнительный инструмент для анализа известной проблемы в физике кварков.
Исследование сосредоточено на матрице Кабиббо-Кобаяси-Маскавы (CKM), которая определяет способность различных типов кварков переходить друг в друга во время слабого ядерного взаимодействия. Компонент матрицы Vus описывает трансформацию странного кварка в верхний кварк. Определение точного значения Vus имеет особенное значение, поскольку элементы первой строки CKM-матрицы должны соответствовать правилу унитарности: сумма квадратов всех элементов должна составлять единицу.
Наиболее аккуратные измерения Vus осуществляются посредством анализа распадов каонов и тау-лептонов. Однако различные экспериментальные методики показывают небольшие отклонения в результатах. Хотя текущие расхождения еще невелики для объявления об открытии принципиально новых физических явлений, сохраняющаяся погрешность делает необходимым поиск альтернативных способов определения этого параметра.
Коллаборация BESIII выбрала для независимой проверки редкий полулептонный распад лямбда-гиперона: Λ → p e− ν̄e. В этом процессе внутри лямбда-гиперона происходит превращение странного кварка в верхний, в результате которого образуются протон, электрон и антинейтрино. Вероятность и энергетические характеристики этого процесса позволяют вычислить значение Vus, но практически неуловимое антинейтрино длительное время препятствовало точному восстановлению полной картины распада.
Подобные измерения практически прекратились несколько десятков лет назад. Последнее высокоточное определение параметров распада Λ → p e− ν̄e было опубликовано в 1990 году. Авторы текущего исследования указывают, что полученный результат представляет собой первое экспериментальное вычисление Vus на основе полулептонного распада лямбда-гиперона за период более тридцати лет.
Возможность нового метода исследования возникла благодаря парам лямбда-гиперонов и антигиперонов, производимым при распаде частицы J/ψ на Пекинском ускорителе электронов и позитронов. Квантовые характеристики двух гиперонов находятся в тесной связи друг с другом, следовательно, особенности одной частицы раскрывают информацию о состоянии второй. Применяя квантовую запутанность, ученые получили возможность точнее определить ориентацию спина и энергетические характеристики распада даже при отсутствии прямого измерения антинейтрино.
Исследование базировалось на анализе 10,087 миллиардов событий J/ψ, зафиксированных детектором BESIII. После проведения фильтрации исследователи обнаружили 1854 ± 49 подтверждающих событий для расчета абсолютной вероятности распада. Более тщательный анализ энергетических характеристик включал 1791 ± 47 подтверждающих событий при предполагаемом фоне 207 ± 30 событий.
Абсолютная вероятность распада Λ → p e− ν̄e составила (8,16 ± 0,22 ± 0,15) × 10−4. Полученное значение соответствует среднемировому показателю (8,34 ± 0,14) × 10−4. Кроме того, исследователи впервые определили для этого типа распада слабую электромагнитную константу и вычислили множество структурных факторов, характеризующих особенности взаимодействия кварков.
Объединив экспериментальные данные с современными теоретическими расчетами на основе методов численной квантовой хромодинамики, команда получила Vus = 0,2339 ± 0,0041. Результат соответствует условию унитарности первой строки CKM-матрицы с точностью в пределах 1,4 стандартного отклонения. Степень статистической надежности недостаточна для утверждения о нарушении основных принципов Стандартной модели.
Одновременно величина, полученная коллаборацией BESIII, примерно на два стандартных отклонения больше некоторых предыдущих оценок Vus, вычисленных из анализа гиперонных распадов. По этой причине ученые полагают, что ранее известные противоречия остаются нерешенными. Основная ценность новых результатов состоит в том, что они получены независимо от методик, основанных на анализе каонов и тау-лептонов.
Значительное влияние на результаты оказали улучшенные теоретические расчеты. При использовании структурных факторов, определенных посредством численной квантовой хромодинамики, вклад теоретической погрешности в общую ошибку Vus сократился с 84,9% до 7,5%. Главное ограничение на достигнутую точность теперь устанавливается количеством зарегистрированных распадов, поэтому получение большего объема экспериментальных данных напрямую повысит точность проверки.
Исследователи планируют применить разработанный метод к другим полулептонным распадам барионных частиц. Эксперимент BESIII продемонстрировал, что использование поляризации и квантовой запутанности пары материальной и антиматериальной частиц дает возможность получить намного больше физической информации из каждого редкого события. При накоплении дополнительных экспериментальных данных исследование гиперонных распадов может достичь точности каонных измерений и стать независимым инструментом проверки принципов Стандартной модели. В случае, если несколько независимых методов в будущем дадут взаимно противоречивые значения параметров CKM-матрицы, такое расхождение станет серьезным подтверждением существования физических явлений, выходящих за пределы современной теории.
