Физики ЦЕРНа впервые увидели, что частица материи из того же семейства, что и протон, ведет себя совершенно иначе, чем ее близнец-античастица. Это открытие, которое соответствует Стандартной модели физики элементарных частиц, может помочь исследователям в объяснении того, почему практически вся Вселенная состоит из материи, а антиматерии так мало.
Почему во Вселенной так много материи, и так мало антиматерии
Физики ЦЕРНа впервые увидели, что частица материи из того же семейства, что и протон, ведет себя совершенно иначе, чем ее близнец-античастица. Это открытие, которое соответствует Стандартной модели физики элементарных частиц, может помочь исследователям в объяснении того, почему практически вся Вселенная состоит из материи, а антиматерии так мало.
Пример имитации данных, смоделированных для детектора частиц CMS на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе. Википедия
Различие между количеством материи и антиматерии во Вселенной создает проблему для физиков: если материя и антиматерия были созданы одновременно во время Большого взрыва и вели себя одинаково, как предполагает большинство физических законов, то трудно объяснить наличие материи сегодня. Если бы количество частиц и античастиц было примерно одинаковым, за время существования Вселенной они бы уже давно аннигилировали и превратились в излучение. Но материя есть, и мы из нее состоим.
«Я лично очень взволнован этим измерением», — говорит Юваль Гроссман, физик-теоретик из Корнеллского университета. Это открытие само по себе не может объяснить доминирование материи над антиматерией, но «это еще один кусочек головоломки», — говорит физик.
Открытие, полученное в ходе эксперимента на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, европейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария, было представлено на конференции Rencontres de Moriond в Ла-Тюиле, Италия и размещено на сервере препринтов arXiv.
Понимание различий между материей и антиматерией — частицами одинаковой массы, но противоположного заряда — важно для объяснения состава Вселенной. Когда два типа частиц встречаются, они аннигилируют. Необходимо отметить, что «заряд» — это необязательно электрический заряд. Это может быть, например, барионный заряд, который у таких электрически нейтральных частиц как красивый лямбда-барион и его античастица противоположен, и при столкновении они тоже аннигилируют.
Обычная материя
Фотография частицы антивещества (бледно-голубой), встретившейся с частицей материи и аннигилировавшей.
Хотя между некоторыми типами материи и антиматерии наблюдались определенные крошечные различия в поведении, они никогда не наблюдались в барионах — частицах, которые составляют большую часть видимой материи Вселенной. Барионы состоят из трех кварков (протоны и нейтроны — это как раз барионы).
В новой работе исследователи наблюдали тонкие различия между скоростями распада красивого лямбда-бариона и его античастицы. Команда проанализировала данные с 2009 по 2018 год по распаду этих барионов на протон и три мезона — легкие, нестабильные частицы, состоящие из двух кварков.
Доказательства разницы в скорости распада между версиями материи и антиматерии красивого лямбда-бариона оказались очень значительными. Физики подсчитали, что вероятность такого расхождения, возникающего случайно, составляет менее 1 к 3 миллионам.
Открытие является «важной вехой», говорит Тим Гершон, физик-теоретик из Уорикского университета (Великобритания), один из участников эксперимента и соавтор работы на БАК..
Долгожданное явление
Иллюстрация распада красивого лямбда-бариона Λ0b (он состоит из трех кварков: u — верхнего, d — нижнего, b — красивого) в рр-столкновении и распада в конечное состояние pK-π+π-. Две вставные диаграммы слева иллюстрируют фундаментальные процессы на уровне кварков древовидного и петлевидного типов, которые опосредуют распад Λ0b → pK-π+π-, где кварки в конечном итоге образуют p-, K-, π+ и π- адроны, обнаруженные в эксперименте БАК.
Открытие может дать новое представление о том, почему существует доминирование материи над антиматерией — «одна из главных загадок в физике элементарных частиц», говорит Тара Ширс, физик-теоретик из Ливерпульского университета (Великобритания), которая также работает над экспериментом БАК.
Физикам известно с 1960-х годов, что некоторые различия в поведении материи и антиматерии проявляются в определенных взаимодействиях, включающих слабое взаимодействие, одну из четырех фундаментальных сил природы. Это явление, известное как нарушение CP-симметрии, является частью Стандартной модели и единственным известным механизмом, помогающим объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной. Но оно наблюдалось только у мезонов.
Физики ожидали обнаружить подобное несоответствие в барионах,но долгое время не могли его найти. «Куда бы мы ни смотрели, мы не могли найти никакого существенного эффекта нарушения CP-симметрии на барионах», — говорит Гершон.
Одна из причин, по которой это заняло так много времени, чтобы наблюдать в барионах, заключается в том, что их сложнее создать в коллайдерах, чем мезоны. Но несоответствие между материей и антиматерией в барионах также, по-видимому, намного меньше, чем в мезонах, говорит Гершон. Почему — неясно, говорит ученый. «Это дает нам что-то интересное для исследования».
Нарушение CP-симметрии, описанное в Стандартной модели, само по себе не может объяснить преобладание материи во Вселенной. Но исследование нарушения CP в барионах дает еще один способ проверить Стандартную модель и может исключить некоторые теории, выходящие за ее рамки, разработанные физиками для объяснения доминирования материи. «Понимание того, что происходит в барионах, может помочь нам выяснить, что является движущей силой различий между материей и антиматерией», — говорит Ширс.