Пінгвін-діаграма

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^[⇨].

Приклад пінгвін-діаграми

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

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.

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 . З 1976 року Елліс працював в ЦЕРНі (Швейцарія) разом з і Дімітрісом Нанопулосом над процесами, що описують пінгвін-діаграми. Навесні 1977 року Елліс, , Мері Галард, працюючи над теорією великого об'єднання, написали статтю, в якій передбачили масу b-кварка. Влітку того ж року Джон разом з друзями вирушив до бару, де програв партію в дартс Меліссі Франклін (хоча її і підміняв ). За умовами парі, той, хто програв, повинен був вставити слово «пінгвін» у свою наступну наукову статтю. За словами Джона Елліса, ідея, як саме використати слово «пінгвін» у своїй статті, спала йому на думку під час куріння забороненої до вживання рослини.

Історія

Уперше виділені й досліджені російськими фізиками-теоретиками Михайлом Шифманом, і . Уперше описані ними процеси переходу b-кварка у s-кварк та фотон спостерігала колаборація в Корнелльському університеті (США) у і 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. 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», 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

• B-мезон
• Пуголовок (фізика)

Примітки

1. https://arxiv.org/pdf/1504.04481.pdf(англ.)
2. Gersabeck, Marco (20 квітня 2015). . 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.{{}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом ()
3. (англ.) Flip Tanedo Dissecting the Penguin. [ 25 листопада 2015 у Wayback Machine.] — Quantum Diaries.
4. (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. [ 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). . 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. . Quanta Magazine (англ.). Архів оригіналу за 23 січня 2021. Процитовано 24 січня 2021.
11. Koppenburg, Patrick; Dolezal, Zdenek; Smizanska, Maria (2016). . 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.{{}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом ()

Література

• (нім.) Hartmut Machner: Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik. Wiley-VCH, Weinheim 2005, , S. 384.
• (нім.) Uwe Reichert: Pinguine im Teilchenzoo. [ 3 грудня 2016 у Wayback Machine.] In: . Nr. 4, 1994, S. 24 (Vorschau).
• (нім.) P. Koppenburg, Z. Dolezal, M. Smizanska: Rare decays of b hadrons. [ 12 лютого 2019 у Wayback Machine.] In: Scholarpedia. Band 11, Nr. 6, 2016, S. 32643., doi:10.4249/scholarpedia.32643.