Model Standardowy opisuje podstawowe oddziaływania między cząstkami elementarnymi i jest jedną z najlepiej przetestowanych eksperymentalnie teorii fizyki cząstek. Wiemy jednak, że jest on niekompletny, gdyż nie opisuje na przykład oddziaływania grawitacyjnego. Dlatego naukowcy konstruują modele oddziaływań, które dopuszczają pewne odstępstwa od Modelu Standardowego, na przykład łamanie symetrii CPT. Tą tematyką zajmują się również badacze NCBJ, którzy w ostatniej pracy uzyskali 100-krotnie dokładniejsze ograniczenia na łamanie tej symetrii.

Jednym ze sposobów poszukiwania odstępstw od Modelu Standardowego jest testowanie jego fundamentalnych własności, takich jak symetria dyskretna CPT. Obserwując zjawiska opisywane przez Model, gdybyśmy zastosowali równocześnie trzy przekształcenia: odbili układ w lustrze wzdłuż trzech osi przestrzennych (symetria P), odwrócili kierunek upływu czasu (symetria T) oraz zamienili wszystkie cząstki materii na antymaterię i vice versa (symetria C), to nie powinniśmy eksperymentalnie zauważyć jakichkolwiek zmian. Tak przynajmniej mówi Model Standardowy. Jeżeli jednak chcielibyśmy uwzględnić oddziaływania grawitacyjne, to symetria CPT może przestać obowiązywać. Takie przewidywania są proponowane w różnych hipotetycznych modelach, które uwzględniają na przykład wprowadzenie deformacji czasoprzestrzeni przez efekty grawitacji kwantowej.

Przewidywane efekty łamania CPT są jednak bardzo małe, co czyni je trudnymi do weryfikacji eksperymentalnej. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków badań, które umożliwiają uzyskanie precyzji blisko tak zwanej granicy Plancka, a więc tam gdzie potencjalne efekty kwantowej grawitacji mogą być widoczne, są eksperymentalne pomiary oscylacji neutralnych mezonów zapachowych.

Neutralne mezony zapachowe to cząstki neutralne elektrycznie, zbudowane z układu kwark – antykwark. Podlegają one tzw. oscylacjom kwantowym, które powodują, że mogą one spontanicznie w czasie zmienić się (oscylować) z cząstki w antycząstkę. „Pomiar parametrów oscylacji pozwala na testowanie symetrii CPT” – wyjaśnia dr Wojciech Krzemień z Zakładu Fizyki Wielkich Energii NCBJ, pierwszy autor artykułu. „Wymaga to jednak niezwykle precyzyjnego aparatu pomiarowego, który umożliwia pomiary czasów rozpadów na poziomie 10^–13 sekundy oraz bardzo dużego zestawu danych zawierającego zarejestrowane rozpady mezonów.”

Poszukiwanie potencjalnych zjawisk spoza Modelu Standardowego odbywa się między innymi w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w ośrodku CERN w Genewie, gdzie naukowcy z całego świata wykorzystują ogromne detektory do rejestrowania cząstek powstających podczas zderzeń protonów. Zarówno wielkie, jak i mniejsze eksperymenty zbudowane w CERN specjalizują się w innych aspektach zderzeń i badają różne obszary fizyki cząstek elementarnych, w tym łamanie symetrii. Takim urządzeniem w ośrodku w Genewie jest detektor LHCb, przy którym pracuje także grupa naukowców z NCBJ. „Opublikowane wyniki analizy, oparte na największym dostępnym zbiorze zarejestrowanych rozpadów neutralnych mezonów powabnych – rzędu setek milionów przypadków – pozwoliły nam na wyliczenie ograniczeń na łamanie symetrii CPT, 100-krotnie polepszając poprzednie wyniki” – opowiada dr Krzemień. „Oznacza to, że pokazaliśmy, że jeżeli istnieją różnice między masami lub czasami rozpadu pomiędzy mezonami powabnymi i ich antycząstkami, to są one mniejsze niż 10^–16 GeV.”

Praca dr Wojciecha Krzemienia, której współautorami są Mateusz Kmieć, Adam Szabelski i Wojciech Wiślicki z NCBJ, została właśnie opublikowana na łamach czasopisma Physical Review D. Badania zespołu nad potencjalnym łamaniem symetrii są kontynuowane. Obecnie prowadzona jest analiza danych w ramach projektu LHCb, z użyciem formalizmu tzw. Rozszerzonego Modelu Standardowego. Badacze mają nadzieję na kolejne interesujące wyniki w tym obszarze.

Oryginalna publikacja:

W. Krzemień, M. Kmieć, A. Szabelski, W. Wiślicki, New constraints on 𝐶𝑃𝑇 symmetry violation in charm mesons, Phys. Rev. D 110 (2024), 055021, https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.055021

Piotr Spinalski