Пінгвін-діаграма

Приклад пінгвін-діаграми

Пінгвін-діаграми або пінгвінні діаграми (англ. penguin diagram) — клас фейнманових діаграм у квантовій фізиці, що, зокрема, дозволяють зрозуміти процеси порушення CP-інваріантності в Стандартній моделі фізики елементарних частинок. Вони описують циклічний (петльовий) процес, у якому кварк одного аромату тимчасово змінює аромат на інший, перш ніж перетворитися на кварк певного третього аромату[⇨].

Найчастіше така діаграма стосується перетворення важкого b-кварка на s-кварк з випромінюванням фотона або глюона. Також, вона описує перетворення b-d[1] (b-кварка на d-кварк), c-u[2] та s-d[1].

Існує ряд процесів, при яких важкі аромати кварків мають набагато більш високі амплітуди взаємодії. Прикладами є взаємодії, що порушують CP-інваріантність, або взаємодія Хіггса. У таких процесах внески від пінгвін-діаграм можуть бути більшими, ніж від прямих деревоподібних діаграм. Аналогічна ідея може бути застосована при розгляді пригнічених розпадів лептонів[3].

Назва

Британський фізик Джон Елліс був першим, хто увів у обіг назву «пінгвін-діаграми» для цього класу діаграм квантової механіки, почасти через їх форми, почасти через програне в барі парі Меліссі Франклін. З 1976 року Елліс працював в ЦЕРНі (Швейцарія) разом з Мері К. Галард і Дімітрісом Нанопулосом над процесами, що описують пінгвін-діаграми[4]. Навесні 1977 року Елліс, Майк Чановіц, Мері Галард, працюючи над теорією великого об'єднання, написали статтю, в якій передбачили масу b-кварка[4]. Влітку того ж року Джон разом з друзями вирушив до бару, де програв партію в дартс Меліссі Франклін (хоча її і підміняв Серж Рудаз). За умовами парі, той, хто програв, повинен був вставити слово «пінгвін» у свою наступну наукову статтю[5][6]. За словами Джона Елліса, ідея, як саме використати слово «пінгвін» у своїй статті, спала йому на думку під час куріння забороненої до вживання рослини[4].

Історія

Уперше виділені й досліджені російськими фізиками-теоретиками Михайлом Шифманом, Аркадієм Вайнштейном і Валентином Захаровим[7][8]. Уперше описані ними процеси переходу b-кварка у s-кварк та фотон спостерігала колаборація CLEO в Корнелльському університеті (США) у 1991 і 1994 роках.

Значення

Аромат кварків не є інваріантним стосовно слабкої взаємодії, тобто у слабких розпадах адронів кварки, з яких ці адрони складаються, можуть змінювати свій аромат. При цьому, ще у 1970-х роках було помічено, що спостерігаються лише процеси, у яких кварки «верхнього типу» (u, c, і тоді ще не відкритий t) переходять у кварки «нижнього типу» (d, s, b) або навпаки — але майже ніколи не відбувається процес переходу кварка «верхнього типу» в інший кварк «верхнього типу», або ж кварка «нижнього типу» в інший кварк «нижнього типу». Такі пригнічені процеси були названі «нейтральними струмами зі зміною аромату» (англ. Flavour-Changing Neutral Currents, FCNC), тому що заряд початкового та кінцевого кварка в таких процесах мав бути однаковим. Дозволені ж процеси були названі «зарядженими струмами зі зміною аромату» (англ. Flavour-Changing Charged Currents, FCCC), де зміна аромату кварка супроводжувалася також зміною його заряду. У Стандартній Моделі FCCC-процеси описуються з допомогою емісії віртуального W-бозона, заряд якого і компенсував зміну заряда кварка. Такий процес описується за допомогою «деревної» діаграми: оскільки така діаграма має лише одну вершину, ймовірність такого процесу є великою (конкретне значення залежить від аромату початкового та кінцевого кварків, та описується CKM-матрицею). Прикладом такого "деревного" процесу є бета-розпад нейтрона.

Деревні діаграми, однак, не можуть описати пригнічені FCNC-процеси, оскільки Z-бозон (нейтральний партнер W-бозона) не здатен змінювати аромати кварків. Стандартна модель, однак, дозволяє процеси з більшою кількістю вершин у діаграмі — але ймовірність такого процесу зменшується зі збільшенням числа вершин. Так, перехід кварка «нижнього типу» в інший кварк «нижнього типу» (або «верхнього» у «верхнього») можна описати, додавши «петлю» із третього кварка та W-бозона. Наприклад, b-кварк не може перейти напряму в s-кварк. Натомість, він може на невеликий проміжок часу перейти у пару W-бозона та c-кварка, які потім анігілюють з утворенням s-кварка. Задля виконання закону збереження енергії, різниця мас початкового b- та кінцевого s-кварка має вивільнитись у вигляді фотона, глюона, або Z-бозона, випущеного з петлі (W-бозоном або c-кварком). Випущений глюон або Z-бозон миттєво перетворюється в пару кварк-антикварк або (лише для Z) лептон-антилептон.

У стилізованій візуалізації діаграми даного процесу, b- та s-кварки нагадують крила пінгвіна, петля — його тулуб, а остання пара частинка-античастинка — його ноги, — що й пояснює популярну назву даних діаграм[⇨].

FCNC-процеси, описані за допомогою пінгвін-діаграм, відіграють важливу роль у фізиці важких адронів. Інтерференція деревної діаграми з пінгвін-діаграмою може слугувати джерелом спостережуваного порушення CP-інваріантності в розпадах B- та D-мезонів[9]. Процеси, у яких вивільняється фотон або лептон-антилептонна пара, мають значення для пошуку фізики за межами Стандартної моделі. Це зумовлено дуже низькою ймовірністю таких процесів у Стандартній моделі (від 10−4 до 10−12 і нижче, залежно від ароматів початкового та кінцевого кварків), яку до того ж досить просто передбачити з достатньою точністю. Отже, якщо гіпотетичні ефекти за межами Стандартної моделі дають додатковий вклад у подібні розпади (наприклад, створюючи деревну діаграму), навіть ефекти на такому низькому рівні як 10−4 і нижче будуть спостережуваними. Пошук відхилень від Стандартної моделі у «пінгвінних» розпадах B-адронів в останні роки показав кілька «аномалій»[10][11], які, однак, ще мають бути підтвердженими з більшою кількістю даних, яка буде зібрана експериментами на Великому адронному колайдері та SuperKEKB в найближчі роки.

Див. також

Примітки

  1. ↑ а б https://arxiv.org/pdf/1504.04481.pdf(англ.)
  2. ↑ Gersabeck, Marco (20 квітня 2015). Introduction to Charm Physics. Proceedings of Flavorful Ways to New Physics — PoS(FWNP) (англ.). Sissa Medialab. с. 001. doi:10.22323/1.220.0001. Архів оригіналу за 5 лютого 2021. Процитовано 30 січня 2021.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  3. ↑ (англ.) Flip Tanedo Dissecting the Penguin. [Архівовано 25 листопада 2015 у Wayback Machine.] — Quantum Diaries.
  4. ↑ а б в (англ.) Mikhail Shifman (1995). «ITEP Lectures in Particle Physics». — High Energy Physics — Phenomenology. arXiv: hep-ph/9510397.
  5. ↑ (англ.) Nico Serra, Tom Blake Chasing new physics with electroweak penguins. [Архівовано 2 серпня 2016 у Wayback Machine.] — CERN Courier. 22 May 2013.
  6. ↑ (англ.) Mikhail A. Shifman Foreword to ITEP lectures in particle physics. — Mikhail A. Shifman (Hrsg.): ITEP Lectures in Particle Physics and Field Theory. Band 1. World Scientific, Singapore 1999, S. v-xi, arxiv: hep-ph/9510397.
  7. ↑ (англ.) Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters 22, p. 55 (1975).
  8. ↑ (англ.) J. Ellis, M. K. Gaillard, D. V. Nanopoulos, S. Rudaz: The phenomenology of the next left-handed quarks. — Nuclear Physics B. Band 131, 1977, p. 285—307, doi:10.1016/0550-3213(77)90374-1
  9. ↑ Fleischer, Robert (10 червня 1997). CP Violation and the Role of Electroweak Penguins in Nonleptonic B Decays. International Journal of Modern Physics A. Т. 12, № 14. с. 2459—2522. doi:10.1142/S0217751X97001432. ISSN 0217-751X. Архів оригіналу за 31 січня 2021. Процитовано 24 січня 2021.
  10. ↑ ‘Penguin’ Anomaly at Large Hadron Collider Hints at Missing Particles. Quanta Magazine (англ.). Архів оригіналу за 23 січня 2021. Процитовано 24 січня 2021.
  11. ↑ Koppenburg, Patrick; Dolezal, Zdenek; Smizanska, Maria (2016). Rare decays of b hadrons. Scholarpedia (англ.). Т. 11, № 6. с. 32643. doi:10.4249/scholarpedia.32643. ISSN 1941-6016. Архів оригіналу за 20 січня 2021. Процитовано 24 січня 2021.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)

Література