Новое открытие на БАК может ускорить разгадку самых волнующих тайн Вселенной

21 марта 2019 года представители коллаборации LHCb, работающей с Большим адронным коллайдером, сообщили о фундаментальном открытии. Впервые было обнаружено нарушение CP-симметрии при распаде очарованных мезонов.

Открытие может стать ключом к разгадке тайны асимметрии вещества и антивещества во Вселенной, а также течения времени. Совершить этот прорыв физикам помог искусственный интеллект, разработанный российскими специалистами.

Напомним, физика выделяет в окружающем мире три главных различия: между веществом и антивеществом (С), между правым и левым (P) и между прошлым и будущим (T).

Эти различия давно интригуют учёных. Так, почти все известные физические законы остаются в силе, если изменить направление времени (T-симметрия), но почему-то мы наблюдаем необратимые процессы. Почти все свойства частиц аналогичны свойствам их античастиц (C-симметрия), но каким-то образом во Вселенной оказалось куда больше материи, чем антиматерии. При замене системы на её зеркальное отражение большинство физических законов также останется неизменными, но при этом свойства химических соединений сильно зависят от того, влево или вправо "повёрнута" молекула вещества. Так, замена "левого" варианта молекулы на "правый" может значительно повысить эффективность лекарства или лишить его побочных эффектов.

Но откуда всё-таки берётся разница между прошлым и будущим, и почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии? Учёные ожидают, что ответ на этот важный вопрос даст изучение нарушений CP-симметрии.

Поясним, о чём речь. Физики долгое время предполагали, что во всех взаимодействиях соблюдается так называемая СР-симметрия. То есть, если заменить каждую частицу в системе на её античастицу (замена по С) и саму систему на её зеркальное отражение (замена по Р), то, как ни странно, поведение такой "обращённой" системы будет в точности копировать поведение исходной.

Но что, если в некоторых процессах этот закон не выполняется? Как предположил академик А. Д. Сахаров в 1967 году, именно в результате такого нарушения мог возникнуть дисбаланс вещества и антивещества во Вселенной.

Кроме того, оно может быть связано и с направлением времени. Дело в том, что, как показали теоретики, любой процесс подчиняется CPT-симметрии. Например, пусть система ведёт себя некоторым образом (обозначим его a). Если заменить частицы на античастицы (С), правое на левое (Р) и прошлое на будущее (Т), то новая система будет демонстрировать то же самое поведение типа a.

Теперь представим себе, что мы выполнили первые два преобразования (сделали СР-замену). Если выполняется СР-симметрия, то поведение системы при этом не меняется: это по-прежнему поведение типа a. Теперь сделаем и Т-замену. По СРТ-симметрии мы должны вновь получить поведение типа a. Значит, Т-замена ни на что не повлияла. То есть для системы с СР-симметрией нет разницы между прошлым и будущим.

Теперь предположим, что СР-симметрия не выполняется. То есть при СР-замене мы из поведения типа a получили другое поведение типа b. Но, добавив к ней ещё и Т-замену, мы обязаны по СРТ-симметрии снова получить поведения типа a. Значит, в данном случае Т-замена меняет тип поведения с b на a. Если система не подчиняется СР-симметрии, то для неё должна быть разница между прошлым и будущим. Таким образом мы получаем ту самую разницу, которая очевидна из опыта, но которую так долго не удавалось описать, опираясь на фундаментальные законы физики.

После всех этих рассуждений легко понять, что открытие нарушения СР-симметрии в 1964 году стало настоящей сенсацией для науки. Однако эти данные касались лишь экзотической частицы: k-мезона. Несколько десятилетий оставалось неясным, нарушается ли CP-симметрия в каких-либо процессах, происходящих с другими частицами. В 2007 году нарушение СР-симметрии было обнаружено и для другой частицы: b-мезона.

Но нельзя сказать, что это стало ответом на все вопросы. Всё-таки окружающий мир, как и мы сами, состоит в основном из протонов, нейтронов и электронов. Все они уцелели только потому, что их когда-то образовалось больше, чем антипротонов, антинейтронов и антиэлектронов (позитронов). И направленность времени мы тоже наблюдаем именно в процессах, происходящих с состоящими из них телами.

Между тем для этих частиц нарушение СР-симметрии не обнаружено экспериментально и не следуют из теории. Так что остаётся неясным, поможет ли оно нам разгадать упомянутые загадки. Физики настойчиво ищут нарушения СР-симметрии во взаимодействиях различных частиц в надежде получить ответы на свои вопросы.

В новом исследовании нарушение СР-симметрии было впервые обнаружено при распаде D0-мезонов, относящихся к классу так называемых очарованных мезонов. Эти частицы состоят из двух кварков и имеют среднее время жизни менее триллионной доли секунды.

Учёные проанализировали данные, полученные в ходе экспериментов, проводимых на LHCb в 2011–2018 годах. При этом обнаружилось, что СР-замена меняет вероятность распада этих частиц. Антимезоны распадаются чаще, чем зеркально расположенные по отношению к ним мезоны.

Достоверность результата составляет 5,3 сигмы, что превышает отметку в пять сигм, которая считается порогом открытия. Эти цифры означают, что результат реален, а не является случайной комбинацией шумов оборудования.

"Изучение эффектов СР-нарушения исключительно важно для понимания механизмов образования нашей Вселенной, – объясняет Денис Деркач из Высшей школы экономики (ВШЭ). – Открытие СР-нарушения в распадах очарованных мезонов – большой шаг в изучении картины этого явления в распадах тяжёлых мезонов".

Поясним, что учёные ВШЭ и компании "Яндекс" создали искусственный интеллект, который использовался для анализа данных эксперимента LHCb.

Также на вычислительных мощностях "Яндекса" происходит моделирование событий эксперимента LHCb, необходимое для правильной интерпретации получаемых физических результатов.

"Усилиями нашей группы эффективность триггера для отбора значимых событий была увеличена в среднем на 40%, – рассказывает Фёдор Ратников из ВШЭ. – <…> Мы улучшили алгоритм определения типа частиц, наблюдаемых детектором. Также мы разработали интеллектуальную систему мониторинга качества работы детектора".

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о том, как на БАК были обнаружены столкновения фотонов и новые частицы.