Понимание разного поведения материи и антиматерии может стать ключом к разгадке, почему Вселенная вообще существует. Теперь физики обнаружили новый пример тонкого различия между веществом, из которого состоят галактики, звезды, планеты и мы сами, и его зловещим близнецом — антивеществом.
Частицы антиматерии — позитроны (антиэлектроны) и антипротоны — обладают той же массой, но противоположным электрическим зарядом по сравнению с обычными электронами и протонами. В новом исследовании в журнале Nature международная группа ученых, работающих в лаборатории физики элементарных частиц ЦЕРН под Женевой, описала дисбаланс между ними.
«Это открытие очень важно для дальнейшего понимания фундаментальных вопросов, таких как асимметрия материи и антиматерии во Вселенной», — сказала аспирантка Сюэтин Янг из Пекинского университета, руководившая анализом.
Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии — а они, в свою очередь, аннигилировать друг с другом, оставив Вселенную пустой навсегда.
Тем не менее спустя 13,8 миллиарда лет вы, состоящие из материи, а не антиматерии, читаете эту новость на экране, который тоже сделан из обычного вещества, а не его антипода. Значит, в первые мгновения после Большого взрыва частиц было чуть больше, чем античастиц. Этот перекос называется нарушением CP-инвариантности (симметрии зарядового сопряжения).
Новые данные основаны на экспериментах, проведенных на Большом адронном коллайдере с 2011 по 2018 год, где протоны сталкиваются друг с другом на огромных скоростях. Энергия каждого столкновения протонов подобна миниатюрному Большому взрыву. Как понял Эйнштейн, энергия и масса взаимозаменяемы (E=mc²), поэтому энергия превращается в частицы, и, как при Большом взрыве, столкновение порождает как материю, так и антиматерию.
Фото: andrey_l/Shutterstock/FOTODOM
Для измерения нарушения CP-инвариантности детектор LHCb фиксирует распады частиц, которые могут показать, чем поведение материи отличается от антиматерии.
Из школьной физики вы, вероятно, помните о протонах и нейтронах. Они относятся к классу частиц, называемых барионами, которые, в свою очередь, состоят из трех кварков. Физики дали кваркам причудливые названия: верхний, нижний, странный и очарованный. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтрон — из одного верхнего и двух нижних.
Новое исследование сосредоточено на лямбда-b-барионе — аналоге нейтрона, в котором один из нижних кварков заменен на более тяжелый b-кварк (прелестный). В результате столкновений протонов иногда рождались лямбда-b-барионы, которые затем распадались на протон и три других специфических частицы из семейства мезонов, состоящих из двух кварков, а не трех.
Ученые также проанализировали случаи, когда античастица — анти-лямбда-b-барион — распадалась на соответствующие античастицы: антипротон и три антимезона.
По рвасчетам, вероятность такого распада для частиц материи была на несколько процентов выше, чем для античастиц. При наблюдении 80 000 распадов статистический анализ показал, что такая разница могла возникнуть случайно с вероятностью менее одной на пять миллионов — что соответствует золотому стандарту физики пять сигма.
«Наблюдение нарушения CP-инвариантности в барионах важно, потому что обычная материя Вселенной состоит именно из них. И это первое измерение такого рода», — заявил Чарльз Янг, старший научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии.
Однако загадку, почему вообще существует Вселенная, это открытие вряд ли решит. Дело в том, что результаты по лямбда-b-барионам, стали, скорее всего, еще одним проявлением нарушения CP-инвариантности, впервые обнаруженного в мезонах еще в 1960-х. Тогда оно привело к предсказанию двух дополнительных кварков — верхнего и нижнего — и корректировкам Стандартной модели.
В 1990-х и 2000-х годах нарушение CP-инвариантности также было зафиксировано в группе мезонов, содержащих b-кварк. Однако во всех этих случаях эффект был слишком мал, чтобы объяснить наблюдаемую асимметрию материи и антиматерии, и укладывался в рамки Стандартной модели.
На первый взгляд, новые результаты тоже согласуются с ней. Тем не менее, они помогут уточнить и проверить сложные теоретические расчеты.
«Теоретические предсказания для распадов барионов пока очень приблизительны, поэтому трудно точно сравнить экспериментальные данные с теорией. В будущем у нас могут появиться возможности обнаружить новые источники нарушения CP-инвариантности», — надеется Янг.
По ее мнению, хотя эксперимент не положил начало новой физике — но его результаты весьма полезны.
«Нужно исследовать каждую возможность нарушения CP-инвариантности. Может быть, откроется что-то невероятное», — заключила исследовательница.
