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 - opisano w komunikacie Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.

W przypadku mezonów znanych jako Bs0 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” (https://doi.org/10.1038/s41567-021-01394-x).

„Pierwszy pomiar oscylacji mezonów Bs0 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 IFJ PAN, kierownik międzynarodowego zespołu fizyków, który prowadził opisane badania.

Jak wyjaśniono w komunikacie, 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 Bs0” - tłumaczy dr Dziurda.

Jako cząstki niestabilne, mezony szybko się rozpadają. Nie inaczej jest z mezonami Bs0, których żywot w omawianym eksperymencie kończył się po pojedynczych pikosekundach (to ułamek sekundy z 12 zerami po przecinku). W tym czasie mezony Bs0 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 - opisano w komunikacie IFJ PAN.

„Mechanika kwantowa przewiduje, że produkty rozpadu mezonu Bs0 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 Bs0 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 Bs0 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 - podkreślono w komunikacie -jest 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 Bs0 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" - podsumowano.