Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 25 (vyšlo 16. srpna, ročník 11 (2013)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Podivuhodne krásne vlastnosti Bs mezónu

Michal Marčišovský

V roku 1977 bola vo FermilabeFermilab – komplex urychlovačů ve Spojených státech, ve státě Illinois. Fermilab byl založen v roce 1967, prvním ředitelem se stal Robert Wilson, vynálezce mlžné komory. V roce 2011 zde byl ukončen provoz druhého největšího urychlovače světa – Tevatronu. K nejvýznamnějším objevům patří objev kvarku „b“ (1977), kvarku „t“ (1995) a tau neutrina (2000). Fermilab se zabýval 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. na experimente E288 pod vedením Leona Ledermana objavená nová častica nazvaná ϒ s hmotnosťou 9,5 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. v rozpadovom kanáli μ+μ, viď obr. 1. Táto častica bola interpretovaná ako viazaný stav b a b (bottom alebo tiež beauty) kvarkovKvarky – 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. z tzv. tretej generácie. Hovoríme o tzv. skrytej kráse, pretože celkové kvantové číslo B (bottomness, tiež označované ako beauty) mezónuMezon – 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. ϒ je nulové: B(b)=−1, B(b)=+1.

Invariantnáí hmotnosť miónu a antimiónuSchéma dvojramenného magnetického spektrometru experimentu E288

Obr. 1: Vľavo: Invariantná hmotnosť páru miónovMion – 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. μ+ a μ s výrazným píkom na 9,5 GeV, interpretovaným ako častica ϒ. Vpravo: Schéma dvojramenného magnetického spektrometru experimentu E288, na ktorom bol učinený objav častice ϒ. Protóny s energiou 400 GeV z urýchľovača Main Ring dopadali na terč, väčšina vyprodukovaných častíc sa absorbovala v berýliovom absorbátore a prechádzali iba mióny vďaka svojej relatívne dlhej dobe života a malým stratám energie ionizáciou pri prechode látkou. Z uhla medzi párom miónov a zo zakrivenia ich dráhy sa určila ich hybnosť a náboj.

Trvalo ešte niekoľko rokov [1], než na detektore CLEO na collideri CESR (Cornell Electron Storage Ring) pozorovali obnaženú krásu, mezóny obsahujúce b kvarkKvarky – 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. a niektorý z ľahších kvarkov u, d a s.

MezónMezon – 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. Bs je viazaný stav b antikvarku a strange kvarku. Má kľudovú hmotnosť 5,366 GeVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. (približne ako atóm 6Li) a je elektricky neutrálny. Jeho stredná doba života je 1,47 ps a rozpadá sa s najväčšou pravdepodobnosťou pôsobením slabej interakcieSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10–18 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W+, W a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). na iné ľahšie hadrónyHadrony – částice složené z kvarků. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton.. Podobne ako u iných viazaných stavov fermiónovFermiony – částice, které mají poločíselný spin, vlnová funkce je antisymetrická, splňují Pauliho vylučovací princip a podléhají Fermiho–Diracovu statistickému rozdělení. Patří mezi ně všechny leptony, kvarky a baryony – například elektron, neutrino, proton a neutron. Při nízkých teplotách fermiony obsazují stavy postupně, až po tzv. Fermiho mez., aj viazané bottom a strange kvarky majú štruktúru orbitalov podobnú atómu vodíkuVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish.. Bs je stav s najnižšou energiou, má spinSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. a moment hybnosti rovný nule (je tzv. skalárnou časticou).

Existencia mezónuMezon – 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. Bs je už niekoľko dekád známa, ale až vylepšenia experimentálnych aparatúr umožnili presne merať jeho vlastnosti. Precízne skúmanie mezónov a ich porovnávanie so štandardným modelomStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. (SM) umožňuje hľadať novú fyziku inovatívnym spôsobom. Zvyčajne sa nové častice a interakcie hľadajú priamo v zrážke známych častíc s vysokou energiou, avšak v prípade B mezónovMezon B – vázaný stav kvarku a antikvarku, ve kterém je jeden z nich kvark nebo antikvark b. sa nová fyzika prejaví rovnako výrazne prostredníctvom zložitejších procesov popisovaných Feynmanovými diagramami vyšších rádov, kde sa prípadné nové častice prejavia ako virtuálne, a sledované veličiny (účinné prierezyÚčinný průřez – vhodný způsob vyjádření pravděpodobnosti, že ostřelující částice bude jistým způsobem interagovat s částicí terče. V podstatě jím zobrazujeme každou částici terče jako určitou malou plochu nastavenou dopadajícím částicím. Všechny částice, které směřují na tuto plochu, interagují. Pravděpodobnost interakce tedy roste s velikostí účinného průřezu., konečné stavy rozpadu, doba života) sa odchýlia od predpovedí SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce..

Rozpadová šířka – převrácená hodnota střední doby života stavu, Γ = 1/τ. Rozpadová šířka reprezentuje pravděpodobnost rozpadu částice za jednotkový čas. Obvykle je modelovaná relativistickým Breitovým-Wignerovým rozdělením. Anglický ekvivalent je decay width nebo decay rate.

Invariantní hmotnost – klidová hmotnost, hmotnost částice v klidové soustavě částice. V obecné vztažné soustavě je invariantní hmotnost dána velikostí čtyřvektoru energie a hybnosti částice.

CKM matice – unitární matice popisující sílu vazby mezi W bosonem a kvarky, popisuje mixáž mezi vlastními stavy hmotnosti kvarků a vlastními stavy působení slabé interakce. Je nazvaná podle počátečních písmen příjmení svých tvůrců (Cabibbo, Kobayashi a Maskawa).

Oscilácie Bs mezónu

Schopnosť niektorých neutrálnych mezónovMezon – 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. oscilovať medzi stavmi častica-antičastica je dôsledkom vlastností kvantovej mechaniky a slabej interakcie. Tieto oscilácie medzi hmotou a antihmotou sa dajú účelne využiť pri previerke fundamentálnych vlastností SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. a pri presnom meraní veličín, ako je narušenie CP symetrieCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. v časticových systémoch. Oscilácie sa prejavujú u neutrálnych mezónov, ktoré sa rozpadajú dominantne prostredníctvom slabej interakcie, typické príklady sú neutrálne mezóny K0 (zloženie |ds>), D0 (|cu>), B0 (|bd>), Bs (|bs>) a prirodzene aj ich antičastice.

Každý z týchto neutrálnych mezónov sa môže mixovať so svojou vlastnou antičasticou a teda „oscilovať medzi hmotou a antihmotou“, avšak B mezónyMezon B – vázaný stav kvarku a antikvarku, ve kterém je jeden z nich kvark nebo antikvark b. predstavujú špeciálny prípad kvôli svojej relatívne dlhej dobe života (a z toho vyplývajúcej preletenej vzdialenosti od miesta vzniku k miestu rozpadu, typicky desatiny milimetrov, čo sa dá dobre merať dnešnými detektormi častíc). Prvýkrát boli takéto oscilácie pozorované v systéme kaónovKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. v 60-tych rokoch minulého storočia. Dnes, vďaka zásadnému vývoju detekčných aparatúr, je možné skúmať oscilácie Bs mezónov s veľmi rýchlou frekvenciu oscilácií (asi 3 THz), malý, ale pozorovateľný rozdiel dôb života BsBs a malé CP narušenieCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. v systéme Bs. Kvarkové zloženie mezónov je Bs = |bs> a Bs = |bs>, je to tzv. čistý stav vône (flavour); častice majú ostro definované kvarkové zloženie. Oscilácie menia kvantové čísla vône, a to krásyKrásabottomness (někdy beauty), kvantové číslo udávající počet b kvarků (bottom) ve složené částici.podivnostiPodivnoststrangeness, kvantové číslo udávající počet s kvarků (strange) ve složené částici.. Zmeny prebiehajú výmenou virtuálnych W bozónov a virtuálnych kvarkov, viď obr. 2.

Feynmanove diagramy oscilácií Bs mezónov

Obr. 2: Feynmanove diagramy znázorňujúce spôsob, akým neutrálne Bs mezóny oscilujú prostredníctvom výmeny intermediálnych bozónov W slabej interakcie a virtuálnych kvarkov. V slučkách sa efektívne uplatňuje iba top kvark kvôli svojej vysokej hmotnosti. Vpravo: Bs → Bs, vľavo Bs → Bs.

Popis oscilácií je jednoduchý za použitia nerelativistickej kvantovej mechaniky. Stav jedného mezónuMezon – 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. je možné popísať časovo-závislou Schrödingerovou rovnicou, ktorá má riešenie:

|Ψ(t)> = |Ψ0> e−imt e−½ Γt,

kde časť s reálnym exponentom reprezentuje rozpad (exponenciálny pokles amplitúdy vlnovej funkcie, ktorá závisí na inverznej dobe života Γ) a časť s imaginárnym exponentom vyjadruje časovú závislosť oscilácií vlnovej funkcie (tzv. fáza, závisí na hmotnosti stavu). Fázu nie je možné priamo pozorovať, je to skrytá vlastnosť, u množiny mezónov sa však dá pozorovať ich exponenciálny úbytok:

|<Ψ0|Ψ(t)>|2 = eΓt.

Situácia sa stáva zaujímavejšou, ak uvažujeme stav, keď sa mezóny mixujú v procese nie nepodobnom mixovaniu neutrínNeutrina – částice, které nemají elektrický náboj, neinteragují ani silně ani elektromagneticky, a proto látkou většinou procházejí. Spolu s elektrony patří do rodiny tzv. leptonů. Neutrina známe ve třech provedeních – elektronová, mionová a tauonová. Alespoň jedno z neutrin má nenulovou klidovou hmotnost, a proto dochází k tzv. oscilacím neutrin, samovolné přeměně mezi jednotlivými typy., potom popis systému dvoch stavov sa dá v dvojrozmernom Hilbertovom priestore vyjadriť spôsobom:

Schrödingerova rovnice

kde Hermitovské matice m a Γ obsahujú informácie o hmotnostiach a rozpadových šírkach (dobách života) jednotlivých stavov. Vo všeobecnom tvare má matica H osem parametrov. Diagonálne členy popisujú čisté stavy BsBs, zatiaľ čo nediagonálne členy sú zodpovedné za mixovanie alebo prechody medzi stavmi. CPT symetriaCPT symetrie – kombinovaná symetrie, podle které by měl experiment dopadnout stejně, pokud vyměníme všechny částice za antičástice (C = Charge, nábojová symetrie), levé směry za pravé (P = Parity, levopravá symetrie) a časový sled událostí pustíme pozpátku (T = Time, časová symetrie). diktuje pre členy matice rovnosť H11 = H22, inými slovami hmotnosti a doby života sú rovnaké u BsBs (znamená to tiež, že pravdepodobnosti prechodov P(Bs → Bs) = P(Bs → Bs). Po aplikovaní symetrizujúcich zjednodušení na systém rovníc sa počet nezávislých prvkov systému H zmenší na:

Schrödingerova rovnice po využití symetrií (1)

Z takto upravenej matice H je možné získať jej dva vlastné vektory, ktoré sa nazývajú vlastné stavy hmotnosti:

Bs,L = p |Bs> + q |Bs> ,

Bs,H = p |Bs> − q |Bs> .

prvý je tzv. ľahký (Light) stav, ktorý je CP párny (sudy); druhý je tzv. ťažký (Heavy) stav, ktorý je CP nepárny (lichý). Napravo sú vlastné stavy vône (BsBs), vľavo vlastné stavy hmotnosti (Bs,L a Bs,H). Stavy Bs,L a Bs,H majú svoje vlastné hmotnosti a rozpadové šírky (mL, ΓL a  mH, ΓH). Inak povedané, vlastné stavy hmotnosti sú lineárnou kombináciou vlastných stavov vône. Komplexné koeficienty pq sú normalizované, tj. |p|2 + |q|2 = 1, a definované vzťahom:

Rovnice

Pomôžeme si predpokladom, že aj CP symetria je dobre zachovaná (čo síce nie je úplne pravda, ale to pre fenomén oscilácií nie je dôležité), teda že P(Bs → Bs) = P(Bs → Bs), čo sa dá matematicky vyjadriť ako H12 = H21. Potom pomer q/p = 1.

Rovnica (1) je analogická s rovnicou popisujúcou dve spojené kyvadlá s rovnakou dĺžkou. Bez nediagonálnych členov v matici H (bez väzby) sú to dve rozpojené kyvadlá popísané oscilačnou frekvenciou m a konštantou útlmu Γ. Nediagonálne členy zabezpečujú väzbu prepojením pružinou s nezápornou elasticitou Δm a útlmom ΔΓ. Mód kmitov vo fáze zodpovedá v analógii Bs,L a kmity v protifáze Bs,H. Keď sa rozkmitá jedno kyvadlo, postupne odovzdá svoju energiu druhému a naopak. To predstavuje oscilácie medzi časticou a antičasticou.

Po aproximácii a úpravách je možné odvodiť vzťahy popisujúce pravdepodobnosť, že Bs mezón budeme detegovať ako Bs mezón (2a) alebo ako Bs (2b):

P(Bs → Bs) = |<B|B(t)>|2 = ½ e−Γt [1 + cos(Δmt)], (2a)
P(Bs → Bs) = |<B|B(t)>|2 = ½ e−Γt [1 − cos(Δmt)], (2b)

kde sme použili

ΔΓ = Γs,HΓs,L,

Δm = M(Bs,H) − M(Bs,L).

Takéto oscilácie (popisované rovnicami 2a a 2b) boli pozorované po prvýkrát na experimente CDFCDF – Collider Detector at Fermilab, jeden ze dvou velkých detektorů na urychlovači Tevatron. CDF měl tvar krychle o hraně 12 m a vážil 6 000 tun. Více než 500 fyziků pracovalo na detektoru, kde byly objeveny kvarky „b“ (bottom) a „t“ (top). Dobíhajícím projektem je intenzívní hledání Higgsova bosonu v již nasbíraných datech. Brzy ho ale v množství nasbíraných dat předběhnou experimenty na urychlovači LHC. na urýchľovači TevatronTevatron – synchrotron postavený ve Fermilabu v Batávii, ve státě Illinois. Do zprovoznění LHC v CERN šlo o největší urychlovač tohoto typu na světě, protony a antiprotony byl schopen v  prstenci o obvodu 6,3 km urychlit až na energii 1 TeV. Šlo o kolider, jehož vstřícné svazky měly v těžišťové soustavě energii 1,96 TeV. Tevatron byl dostaven v roce 1983 a stál 120 milionů USD. Další velkou investicí byl hlavní injektor za 290 milionů USD přidaný v letech 1994 až 1999. Provoz Tevatronu byl ukončen v roce 2011. [2], toto meranie však bolo zaťažené veľkými štatistickými a systematickými chybami. Experiment LHCbLHCb – Large Hadron Collider beauty, multifunkční detektor pro LHC, na kterém je sledováno narušení CP symetrie a jsou zkoumány hadrony obsahující kvark b.CERNeCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří objev částic slabé interakce, příprava antivodíku a objev kvarkového-gluonového plazmatu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. bol postavený priamo na štúdium fyziky B hadrónovHadrony – částice složené z kvarků. Dělíme je na mezony složené z kvarku a antikvarku a baryony složené ze tří kvarků různých barev. Název je odvozeninou z řeckého hadros (silný, těžký). K nejznámějším mezonům patří piony, k nejznámějším baryonům neutron a proton., kvôli výnimočnej energii a kinematike protónových zrážok na urýchľovači LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. (viď napr. AB 27/2006). Tento experiment okrem iného vykonal zatiaľ najpresnejšie meranie frekvencie oscilácií Bs mezónov.

Pri meraní bola využitá integrovaná luminozita 1 fb−1 nazbieraná detektorom LHCb v roku 2011 pri ťažiskovej energii LHC 7 TeV. Z týchto dát bolo rekonštruovaných asi 34 000 udalostí rozpadu Bs → Ds− π+. Veľmi dôležitou časťou fyzikálnej analýzy bola identifikácia vône, s ktorou sa mezón narodil. Na to sa zvyčajne využíva postup označovaný ako „flavour tagging“ – označenie vône, teda či je to Bs alebo Bs. Na jeho určenie sa využíva fakt, že b kvarky v prírode vznikajú v pároch b–b a na zistenie vône inkriminovaného mezónu stačí určiť vôňu druhého B hadrónu, ktorá bude opačná. Na to sa využívajú tzv. flavour tagging algoritmy, ktoré čiastočne zrekonštruujú druhý B hadrón, ktorý vznikol pri zrážke a rýchlo sa rozpadol, a z produktov rozpadu odhadnú jeho kvarkové zloženie. Výsledok analýzy je možné vidieť na obrázku 3 a viac sa môžete dočítať v [3].

Rozdelenie dôb života Bs mezónov

Obr. 3: Rozdelenie dôb života (časového intervalu od vzniku po rozpad) Bs mezónov. Čas rozpadu je meraný z preletenej vzdialenosti L (t = L/c) od primárnej zrážky protónov k miestu rozpadu. Na histograme sú znázornené 2 druhy udalostí: označené taggerom ako mixované (rozdielna vôňa pri rozpade a vzniku (napr. BsBs), červená čiara) a nemixované (rovnaká vôňa pri rozpade a vzniku (Bs→Bs), modrá čiara). Pre časy menšie ako 1 ps rozdelenie klesá kvôli rozlíšeniu detektora a výbere udalostí [3].

Z merania vyšla Δms = 17,768±0,023(stat) ± 0,006(syst) ps–1, čo je hodnota kompatibilná s teoretickou predpoveďou SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce.ms, SM = 17.3±2,6 ps–1). Každý Bs mezón priemerne deväťkrát osciluje, než sa rozpadne, pre porovnanie, u oscilácii v systéme B0 mezónov je oscilačná frekvencia Δmd = 0,502±0.007 ps–1, asi 36krát menšia.

Pozorovanie priameho narušenia CP symetrie pri rozpade Bs

Narušenie kombinovanej CP symetrieCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů. bolo prvýkrát pozorované v systémoch neutrálnych kaónovKaon – mezon K, částice složená z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Jeden kvark/antikvark je z první generace (d či u) a druhý kvark/antikvark je podivný kvark s. Kaony v hojné míře vznikají v horních vrstvách atmosféry při její interakci s kosmickým zářením. (CroninFitch, 1964). V tej dobe vznikajúce náznaky štandardného modeluStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. neobsahovali jednoduchý spôsob, ako docieliť v teórii konzistentné narušenie CP symetrie. V roku 1973, keď ešte ani druhá generácia kvarkov nebola kompletne známa (c kvark bol iba predpovedaný GIM mechanizmom a jeho objav nastal až v r. 1974), Makoto Kobayashi a Toshihide Maskawa postulovali hypotetickú tretiu generáciu kvarkov k dvom známym, ktorá umožní do teórie elegantným spôsobom zakomponovať narušenie CP symetrie. Dnes vieme, že tretia generácia kvarkov umožní parametrizáciu CKM matice tromi uhlami a jednou komplexnou fázou φ, ktorá je zodpovedná za narušenie CP symetrie. :

V systémoch častíc sa zvyčajne spôsoby narušenia CP symetrie
(CPV – CP Violation) klasifikujú do troch kategórií
  1. CPV pri rozpade častíc (tzv. priame narušenie), kde platí o amplitúdach rozpadu |A(Bs → f)|2 ≠ |A(Bs → f)|2, kde f je množina častíc konečného stavu, alebo tiež sa označuje ako |A/A| ≠ 1, inými slovami doba života častice je iná ako u antičastice.

  2. CPV pri mixovaní častica-antičastica, keď je pravdepodobnosť oscilácie častice na antičasticu odlišná od inverzného procesu. P(Bs → Bs) ≠ P(Bs → Bs), teda q/p ≠ 1, a je to tzv. nepriame narušenie.

  3. CPV v interferencii rozpadu a mixovania (Im(qA/pA ) ≠ 0, nepriame).

V apríli 2013 kolaborácia LHCb oznámila prvé pozorovanie narušenia CP symetrie u rozpadov Bs mezónov. Pri meraní využila kolaborácia LHCb zrážky akumulované v roku 2011 a analýza využívala pomerne vzácne rozpadové kanály Bs → Kπ+Bs → K+π. Bs mezóny sa rozpadajú na nabitý pión a kaón zhruba v 5×10−6 zo všetkých prípadov.

Rozdielne invariantné hmotnosti pre nábojové kombinácie kaónu a piónu

Obr. 4: Rozdielne invariantné hmotnosti pre nábojové kombinácie kaónu a piónu indikujú, či sa rozpadol mezón alebo antimezón. Horná rada histogramov a) a b) ukazuje, že rozpadové šírky B0B0 sú rozdielne, čo je výsledok známy už niekoľko rokov. V spodnej časti obrázku je priblížené maximum Bs mezónov (vyšrafovaná plocha pod zelenou čiarou), kde je výrazný rozdiel v rozpadovej šírke medzi BsBs. Zdroj: [4].

Tento rozdiel sa dá elegantne vyjadriť tzv. parametrom nesymetrie ACP, ktorý je definovaný ako:

Rovnice

V prípade platnej CP symetrie by bol parameter ACP rovný 0. Z nameraných udalostí vychádza hodnota parametra ACP(Bs → Kπ+) = +0,27 ± 0,04(stat.) ± 0,01(syst.), ktorá sa významne líši od 0 (5 štandardných odchýlok). Tento výsledok je prvým pozorovaním narušenia CP symetrie v rozpadoch Bs mezónov. Pre porovnanie, z tej istej analýzy bola nameraná asymetria rozpadu B0 mezónov na ACP(B0 → K+π) = −0,080 ± 0.007(stat.) ± 0.003(syst.), čo je tiež najpresnejšie meranie.

LHC event display
LHC event display

Obr. 5: Rozpad Bs mezónu zaznamenaný detektorom LHCb. K je červená čiara
a π+ zelená čiara. Dole je zoom na rozpad Bs mezónu.

Pozorovanie vzácneho kanálu rozpadu Bs na  μ+μ a nová fyzika

Analýza rozpadov mezónu Bs predstavuje citlivý spôsob hľadania novej fyziky za hranicami štandardného modelu, ako je napríklad existencia štvrtej generácie kvarkov alebo supersymetrickýchSUSY – SUSY (SUper SYmmetry), symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla projevovat při vysokých energiích. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existovat superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou „ino" pro bosony a předponou „s“ pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron. Přestože se tyto superpartnery zatím nepodařilo experimentálně pozorovat na urychlovači LHC, představuje supersymetrie významnou ingredienci v teorii superstrun. častíc. Bs mezón sa typicky rozpadá na niekoľko ľahších hadrónov, existuje u neho aj vzácny rozpadový kanál na dva mióny. Tento kanál je síce zakázaný na stromovej úrovni Feynmanových diagramov, avšak na tzv. diagramoch so slučkou virtuálnych častíc je povolený, ale za cenu silného potlačenia pravdepodobnosti realizácie. Obrovská nazbieraná štatistika dát detektorov na LHC však umožňuje študovať aj takéto vzácne procesy.

Feynmanove diagramy

Obr. 6: Feynmanove diagramy znázorňujúce možné procesy vedúce k vzácnemu rozpadu Bs → μ+μ, prípady a) a b) sú hlavné procesy štandardného modelu (SM), ich maticové elementy sa sčítajú a vypočíta sa amplitúda procesov podľa SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce.. Proces a) sa realizuje v prírode asi v 75 % prípadov, proces b) asi v 24 %. Ak existujú ďalšie generácie kvarkov alebo častice SUSYSUSY – SUSY (SUper SYmmetry), symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla projevovat při vysokých energiích. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existovat superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou „ino" pro bosony a předponou „s“ pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron. Přestože se tyto superpartnery zatím nepodařilo experimentálně pozorovat na urychlovači LHC, představuje supersymetrie významnou ingredienci v teorii superstrun., potom je nutné do amplitúdy procesov zahrnúť aj procesy analogické prípadom c) a d), ktoré obsahujú nové častice.

Predpoveď SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. pre vetviaci pomer Bs → μ+μ je asi (3,2±0,2)×10−9, teda z miliardy Bs mezónov sa asi 3 rozpadnú na pár mión a antimión. Môžu za to procesy vyšších rádov obsahujúce slučky, presnejšie tzv. penguin diagram (obr. 6a) a box diagram (obr. 6b). Teórie rozširujúce SM, hlavne supersymetrické teórie, podstatne zväčšujú tento vetviaci pomer (až na niekoľkonásobok) tým, že SUSY častice sa zúčastnia slučiek (obr. 5c, d), a tým zvýšia pravdepodobnosť realizácie onoho vzácneho dvojmiónového kanálu. Kvôli meraniu spojili sily kolaborácie detektorov CMS a LHCb a skombinovali svoje výsledky, pre ktoré bola použitá integrovaná luminozita nazbieraná počas prvého behu (run I) LHC z rokov 2011 a 2012.

Invariantná hmotnosť  μ+μ−

Obr. 7: Invariantná hmotnosť μ+μ. V histograme je niekoľko komponent, z tých najdôležitejších červená čiara zodpovedá rozpadom Bs → μ+μ okolo invariantnej hmotnosti 5,37 GeV a zelená čiara je doteraz nepozorovaný náznak rozpadu B0 → μ+μ, ktorý je ešte menej zastúpený v pomere (branching rate) BR(B0 → μ+μ) zmeraným na 7,4×10−10. Zdroj: [5].

Zo zverejnených spoločných výsledkov meraní vychádza veľkosť pomerného zastúpenia tohto kanála BR(Bs → μ+μ) = 2,9±0,7×10−9. Pozorovaný pomer BR je plne kompatibilný s predpoveďou SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. a  prípadné príspevky k vetviacemu pomeru od fyziky za štandardným modelom (napr. SUSY) budú podstatne menšie než od SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce..

Záver

Vo fyzike mezónov a exotických vôní sa za uplynulý rok publikovalo mnoho meraní, ktoré spresnili našu predstavu o mikrosvete a všetky súhlasia s predpoveďami štandardného modelu. Všetky tri prezentované merania sú citlivé na fyzikálne procesy a nové častice mimo SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce., a absencia odchýlok od predpovedí je silným argumentom proti teóriám, ktoré potenciálne rozšíria SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. ako je napr. SUSYSUSY – SUSY (SUper SYmmetry), symetrie mezi fermiony a bosony, která by se měla projevovat při vysokých energiích. Ke každému fermionu by měl existovat superpartner, který je bosonem, a naopak ke každému bosonu by měl existovat superpartner, který je fermionem. Názvy superpartnerů tvoříme příponou „ino" pro bosony a předponou „s“ pro fermiony. Tedy například foton – fotino, elektron – selektron. Přestože se tyto superpartnery zatím nepodařilo experimentálně pozorovat na urychlovači LHC, představuje supersymetrie významnou ingredienci v teorii superstrun.. Existuje však možnosť, že deštruktívna interferencia v maticových elementoch medzi procesmi SM a novej fyziky nastaví pozorované veličiny na úroveň očakávaní SM, a preto je nutné vykonať ďalšie, ešte citlivejšie merania, ktoré budú možné s rastom integrovanej luminozity dodanej LHCLHC – Large Hadron Collider. Urychlovač protonů na nominální energie 14 TeV. LHC byl vybudován ve středisku jaderného výzkumu CERN v tunelu po urychlovači LEP II, který má obvod 27 km. Do zkušebního provozu byl uveden v září 2008, ale zanedlouho došlo k poruše na jednom z magnetů. Urychlovač byl opětovně spuštěn v listopadu 2009. Od března 2010 probíhal fyzikální program na energii 7 TeV. V roce 2012 byl na urychlovači objeven Higgsův boson. Provoz na energiích blízkých nominální probíhá od roku 2015. po skončení odstávky v roku 2014.

Narušenie CP symetrieCP symetrie – levopravá symetrie kombinovaná se symetrií částice – antičástice. Označení CP pochází z anglických slov „charge“ a „parity“. Základní otázkou je, zda experiment připravený podle zrcadlového obrazu z antičástic by fungoval shodně s původním experimentem. Narušení CP symetrie v přírodě prokázali James Cronin a Val Fitch v roce 1964 v experimentech s rozpadem kaonů.SMStandardní model – současný obecně přijímaný model částic a interakcí. Obsahuje kvarky, leptony, polní částice jednotlivých interakcí (fotony, gluony, W+,  W, Z0) a Higgsovu částici jakožto zdroj hmotnosti ostatních částic a narušení symetrie elektroslabé interakce. Součástí modelu není gravitační interakce. skryté v CKM mixovacej matici úspešne popisuje experimentálne dáta. Stále je však príliš malé na to, aby vysvetlilo pozorovaný prebytok hmoty nad antihmotou v procesoch vesmírnej baryogenézy.

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage