Горизонты научного поиска

При активном участии физиков ОИЯИ

10 августа на семинаре ЦЕРН были представлены новые предварительные результаты эксперимента NA48, представляющие значительный интерес для международного научного сообщества.

Общий вид установки NA48 в районе жидко-криптонового калориметра и криостат этого калориметра, изготовленный в России.

Установка NA48 была создана для точного измерения прямого нарушения СР-симметрии в распадах нейтральных каонов. Эти измерения были успешно завершены в 2001 году при значительном материальном и интеллектуальном вкладе ОИЯИ. В рамках Стандартной Модели (СМ) нарушение CP-симметрии возникает из-за наличия единственной ненулевой фазы в унитарной (3x3)-матрице Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (ККМ), описывающей смешивание кварков в слабых взаимодействиях. В свою очередь эта фаза появляется вследствие существования третьего поколения кварков и лептонов в СМ. Обнаружение в распадах нейтральных каонов прямого CP-нарушения, наряду с обусловленным ()-смешиванием непрямым CP-нарушением, явилось еще одним экспериментальным фактом, подтверждающим СМ.

На этот раз та же самая экспериментальная установка была использована для решения другой проблемы, затрагивающей фундаментальные основы сегодняшних представлений о динамике слабых взаимодействий. Речь идет об экспериментальной проверке унитарности ККМ-матрицы. Благодаря этому свойству, девять элементов последней можно параметризовать с помощью четырех независимых параметров: например, трех углов смешивания кварков кабиббовского типа и уже упомянутой фазы, приводящей к CP-нарушению в слабых взаимодействиях.

Вольфенштейном была предложена другая полезная параметризация ККМ-матрицы, в основу которой положена иерархия ее элементов, возникающая при их разложении в ряд по степеням параметра = |V_us| - модуля элемента ККМ-матрицы, определяющего смешивание нестранного s-кварка со странным s-кварком. В частности, одно из следствий унитарности ККМ-матрицы, выражающееся в ортогональности ее первого и третьего столбцов, принято представлять графически в виде так называемого "унитарного треугольника" на плоскости двух других вольфенштейновских переменных, обозначаемых как и . Изучая широкий круг распадов K- и B-мезонов, можно измерить независимо углы и стороны этого треугольника и, тем самым, проверить унитарность ККМ-матрицы: в случае нарушения унитарности стороны треугольника не сходились бы в вершинах с измеренными значениями углов.

Поскольку никто не сомневается в унитарности ККМ-матрицы в математическом смысле, речь идет, на самом деле, о проверке полноты СМ. Например, существование дополнительных поколений кварков могло бы означать, что матрица их смешивания имеет другую размерность, и ее (3x3)-сегмент, который мы наблюдаем с известными поколениями, может вполне оказаться неунитарным. С точки зрения современного состояния этой проблемы, интрига заключалась в том, что до самого последнего времени среднемировые данные давали указание на нарушение унитарности матрицы ККМ. В частности, сумма квадратов модулей ее элементов, связывающих u-кварк со всем другими, отличалась от единицы на величину (4,3 1,9)x10^-3.

В эксперименте NA48 величина матричного элемента |V_us| была измерена на основе полученной рекордной статистики по распадам каонов и нейтральных гиперонов. Для этого были с высокой точностью измерены вероятности распадов нейтральных и заряженных каонов на пион, электрон и нейтрино, а также распада нейтрального кси-гиперона на сигма-гиперон, электрон и нейтрино. Результат NA48, полученный из данных по распаду нейтральных каонов, оказался несколько выше известных измерений этой величины, но остается ниже того значения, которое необходимо для выполнения условия унитарности. Однако этот результат содержит неточности, вносимые плохим знанием формфактора распада. А вот измерение вероятности заряженных каонов по тому же каналу дало величину |V_us|, которая расходится с имевшимися до недавнего времени мировыми данными, но согласуется как с унитарностью матрицы ККМ, так и с самым последним измерением, выполненном в Брукхейвенской национальной лаборатории. Анализ данных о распаде нейтрального гиперона приводит к менее точному значению |V_us|, которое в пределах своей большой неопределенности согласуется и с новыми, и со старыми измерениями.

Все эти новые результаты были представлены на 32-й Международной конференции по физике высоких энергий (16-22 августа, 2004, Пекин) [5] участником коллаборации NA48 из Дубны Леандром Литовым. Новая информация о матричном элементе |V_us| от NA48 была включена в пленарный доклад, сделанный Винченцо Патера (KLOE), и даже в заключительный доклад конференции, сделанный Д.Эллисом (CERN). Вместе с последними результатами экспериментов KLOE, KTeV и E865 результат NA48 внес существенный вклад в проверку унитарности ККМ-матрицы. Конференция сделала вывод о том, что "сага |V_us| завершена".

А. Бельков, ученый секретарь ЛФЧ.