Od materii do antymaterii i z powrotem – tryliony razy na sekundę

EurekAlert!: [https://www.eurekalert.org/news-releases/943050]

9 lutego 2022

Mezony B_s⁰ oscylują między postacią materialną, zbudowaną z kwarka dziwnego s i antykwarka pięknego b bar, a postacią antymaterialną, złożoną z kwarka pięknego b oraz antykwarka dziwnego s bar. (Źródło: IFJ PAN)

Materia i antymateria wydają się nam tak przeciwstawne jak ogień i woda. Istnieją jednak cząstki, które mogą zachowywać się jak reprezentanci raz świata materii, a raz świata antymaterii. O pomiarze ekstremalnej szybkości oscylacji takich cząstek między obu światami donosi międzynarodowa grupa naukowców pracujących przy eksperymentach w detektorze LHCb.

Jak dziecko na huśtawce, raz wychylające się w przód, raz w tył, tak niektóre cząstki potrafią z nieprawdopodobną szybkością wielokrotnie zmieniać swoje właściwości, w jednej chwili stając się przedstawicielami świata materii, by w kolejnej zachowywać się jak antymateria. Oscylacje cech cząstek między materią a antymaterią uchodzą za jedno z najbardziej fascynujących zjawisk mechaniki kwantowej. W przypadku mezonów znanych jako B_s⁰ oscylacje te udało się zmierzyć z bezprecedensową dokładnością. O wynikach nietuzinkowego pomiaru poinformowała grupa naukowców realizujących eksperymenty w detektorze LHCb przy Wielkim Zderzaczu Hadronów. Artykuł opisujący ich pracę ukazał się na łamach czasopisma „Nature Physics”.

„Pierwszy pomiar oscylacji mezonów B_s⁰ przeprowadzono jeszcze w 2006 roku, w ramach eksperymentu CDF w amerykańskim laboratorium Fermilab. Nam udało się teraz poprawić dokładność pierwotnego pomiaru aż o dwa rzędy wielkości!”, mówi dr Agnieszka Dziurda z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Dr Dziurda jest kierownikiem międzynarodowego zespołu fizyków, który prowadził raportowane badania.

Składniki materii tworzące widzialny Wszechświat to głównie kwarki dolne i górne, elektrony oraz neutrina elektronowe. Wewnątrz Modelu Standardowego, złożonego narzędzia teoretycznego opisującego świat w skalach atomowych i subatomowych, cząstki te są zgrupowane w jedną generację. Wiadomo, że istnieją jeszcze dwie inne generacje. Obie zawierają cząstki o podobnych właściwościach co pierwsza, tyle że w kolejnych generacjach coraz bardziej masywne.

W Modelu Standardowym każda cząstka materii ma swój odpowiednik w postaci antycząstki różniącej się głównie znakiem ładunku elektrycznego (w przypadku elektrycznie neutralnych neutrin istotne są inne cechy kwantowe). Kwarki nie lubią samotności i zawsze łączą się z innymi w zlepki. Najprostsze z nich to mezony, czyli pary zbudowane z kwarka i jakiegoś antykwarka (niekoniecznie tego samego rodzaju).

„Mezony mogą przenosić ładunek elektryczny, lecz nie muszą. Te pozbawione ładunku elektrycznego, określane jako neutralne, wykazują frapującą cechę: oscylują między postacią materialną a antymaterialną. My skupiliśmy się na analizie częstotliwości oscylacji neutralnych mezonów zawierających kwark piękny b z trzeciej generacji i kwark dziwny s z drugiej, oznaczonych jako B_s⁰”, tłumaczy dr Dziurda.

Jako cząstki niestabilne, mezony szybko się rozpadają. Nie inaczej jest z mezonami B_s⁰, których żywot w omawianym eksperymencie kończył się po pojedynczych pikosekundach (to ułamek sekundy z 12 zerami po przecinku). W tym czasie mezony B_s⁰ pokonywały drogę długości mniej więcej jednego centymetra i, jak się okazało, kilkukrotnie oscylowały.

Od strony technicznej pomiary zjawiska o tak wielkiej częstotliwości okazały się niezwykle trudne. Wymagały zwłaszcza głębokiego zrozumienia technik eksperymentalnych zastosowanych w detektorze, te mogły bowiem zaburzać pomiar. Dopiero dysponując tą wiedzą fizycy byli w stanie precyzyjnie odtworzyć tor ruchu zarejestrowanych mezonów oraz zidentyfikować cząstki, na jakie te się rozpadły.

„Mechanika kwantowa przewiduje, że produkty rozpadu mezonu B_s⁰ muszą być różne w zależności od tego, czy w chwili rozpadu znajdował się on w stanie materialnym, czy antymaterialnym. Zatem dopiero po zarejestrowaniu i zidentyfikowaniu produktów rozpadu danego mezonu mogliśmy ustalić, czy rozpadł się on jako reprezentant świata materii, czy antymaterii. Połączenie tej wiedzy z informacją o naturze cząstki w momencie produkcji pozwoliło nam na pomiar częstotliwości oscylacji”, wyjaśnia dr Dziurda.

Poddane analizie dane dotyczyły mezonów B_s⁰ powstałych w zderzeniach proton-proton o sumarycznej energii 13 teraelektronowoltów, zarejestrowanych w detektorze LHCb w latach 2015-2018. Ostatecznie naukowcom udało się ustalić, że mezony B_s⁰ oscylują między materią a antymaterią trzy tryliony razy na sekundę, czyli 300 razy szybciej niż oscyluje typowy zegar atomowy zbudowany z użyciem cezu.

Wynik otrzymany przez fizyków z eksperymentu LHCb nie jest pustą encyklopedyczną ciekawostką z egzotycznego świata kwantów, lecz pomiarem o szerszym znaczeniu. Z jednej strony na nowym poziomie dokładności zgadza się z przewidywaniami mechaniki kwantowej i stanowi jej piękną ilustrację. Z drugiej, zmierzona częstotliwość oscylacji mezonów B_s⁰ istotnie zawęża obszary poszukiwań nieznanych i nieopisanych przez Model Standardowy cząstek, także tych sugerowanych przez wielu teoretyków w celu wyjaśnienia obserwowanych w ostatnich latach anomalii. Być może ślady tej nowej fizyki uda się wykryć, gdy w 2022 roku zmodernizowany detektor LHCb wznowi rejestrację zderzeń.

[PDF]

Kontakt:

dr Agnieszka Dziurda
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel.: +48 12 662 8086
email: agnieszka.dziurda@ifj.edu.pl

Publikacje naukowe:

„Precise determination of the $B_s^0 - \bar{B}_s^0$ oscillation frequency”
LHCb Collaboration;
Nature Physics, 2022;
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-021-01394-x

Materiały graficzne:

Mezony B_s⁰ oscylują między postacią materialną, zbudowaną z kwarka dziwnego s i antykwarka pięknego b bar, a postacią antymaterialną, złożoną z kwarka pięknego b oraz antykwarka dziwnego s bar. (Źródło: IFJ PAN)

Materiały filmowe: