ЦЕРН обнаружил еще один ключ к разгадке тайны исчезнувшего во Вселенной антивещества

Это одна из величайших загадок физики. Все частицы, составляющие материю вокруг нас — электроны и протоны, имеют версии антивещества, которые почти идентичны, но с зеркальными свойствами, такими как противоположный электрический заряд.

Когда антивещество и частица материи встречаются, они аннигилируют в виде вспышки энергии.

Если антивещество и материя действительно идентичны, но являются зеркальными копиями друг друга, они должны были быть произведены в равных количествах во время Большого взрыва. Проблема в том, что это все бы уничтожило. Но сегодня во Вселенной почти не осталось антивещества — оно появляется только в некоторых радиоактивных распадах и в небольшой части космических лучей.

Так что же с ним случилось? Используя эксперимент LHCb в ЦЕРНе для изучения разницы между материей и антивеществом, мы обнаружили новый способ появления этой разницы.

Существование антивещества было предсказано уравнением физика Поля Дирака, описывающим движение электронов в 1928 году. Сначала было неясно, было ли это просто математической причудой или описанием реальной частицы.

Но в 1932 году Карл Андерсон открыл антивещество, партнер электрона — позитрон — при изучении космических лучей, падающих на Землю из космоса. В течение следующих нескольких десятилетий физики обнаружили, что все частицы вещества имеют партнеров из антивещества.

Ученые считают, что в очень горячем и плотном состоянии вскоре после Большого взрыва должны были происходить процессы, в которых материя отдавала предпочтение антивеществу. Это создало небольшой избыток материи, и когда Вселенная остыла, все антивещество было разрушено или аннигилировано равным количеством вещества, оставив крошечный избыток вещества.

И именно этот избыток составляет все, что мы видим во Вселенной сегодня.

Неясно, какие именно процессы привели к появлению излишка, и физики внимательно следят за этим на протяжении десятилетий.

Поведение кварков, которые являются фундаментальными строительными блоками материи наряду с лептонами, может пролить свет на разницу между материей и антивеществом. Кварки бывают разных видов или «вкусов», известных как верхний, нижний, очаровательный, странный, прилежный и истринный, плюс шесть соответствующих антикварков.

Верхние и нижние кварки — это то, что составляют протоны и нейтроны в ядрах обычной материи, а другие кварки могут образовываться в результате процессов высоких энергий — например, при столкновении частиц в ускорителях, таких как Большой Адронный Коллайдер в ЦЕРНе.

Частицы, состоящие из кварка и антикварка, называются мезонами, и есть четыре нейтральных мезона (B0S, B0, D0 и K0), которые демонстрируют захватывающее поведение. Они могут спонтанно превращаться в своего партнера-античастицу, а затем обратно — явление, которое впервые наблюдалось в 1960 году.

Поскольку они нестабильны, они «распадутся» — развалятся — на другие более стабильные частицы в какой-то момент во время их колебаний. Этот распад для мезонов происходит несколько иначе, чем для антимезонов, что в сочетании с осцилляцией означает, что скорость распада меняется со временем.

Правила для колебаний и распадов задаются теоретической структурой, называемой механизмом Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (CKM). Он предсказывает, что есть различие в поведении материи и антивещества, но оно слишком мало, чтобы генерировать избыток материи в ранней Вселенной, необходимый для объяснения изобилия, которое мы видим сегодня.

Это указывает на то, что мы чего-то не понимаем, и что изучение этой темы может поставить под сомнение некоторые из наших самых фундаментальных теорий в физике.

Новая физика?

Наш недавний результат эксперимента LHCb — это исследование нейтральных B0S-мезонов, изучение их распадов на пары заряженных K-мезонов. B0S-мезоны были созданы путем столкновения протонов с другими протонами в Большом Адронном Коллайдере, где они колебались в свой антимезон и возвращались обратно три триллиона раз в секунду. Столкновения также создали мезоны анти-B0S, которые колеблются таким же образом, давая нам образцы мезонов и антимезонов, что можно было бы сравнить.

Мы подсчитали количество распадов в двух выборках и сравнили два числа, чтобы увидеть, как эта разница менялась по мере развития колебаний. Была небольшая разница — больше распадов произошло для одного из B0S-мезонов. И впервые для B0S-мезонов мы заметили, что разница в распаде или асимметрии изменяется в зависимости от колебаний между B0S-мезоном и антимезоном.

Помимо того, что мы стали важной вехой в изучении различий материи и антивещества, мы также смогли измерить размер асимметрий. Это можно перевести в измерения нескольких параметров лежащей в основе теории.

Сравнение результатов с другими измерениями обеспечивает проверку согласованности, является ли принятая в настоящее время теория правильным описанием природы. Поскольку небольшое предпочтение материи антивеществу, которое мы наблюдаем в микроскопическом масштабе, не может объяснить подавляющее изобилие материи, которое мы наблюдаем во Вселенной, вполне вероятно, что наше нынешнее понимание является приближением более фундаментальной теории.

Исследование этого механизма, который, как мы знаем, может генерировать асимметрию вещества и антивещества, исследуя его под разными углами, может сказать нам, в чем проблема. Изучение мира в самом маленьком масштабе — наш лучший шанс понять то, что мы видим в самом большом масштабе.

Ларс Эклунд, профессор физики элементарных частиц, Университет Глазго.

Статья переиздана из The Conversation.

Источники: Фото: Мы можем увидеть много материи, подобной этой галактике, но еще не обнаружили много антивещества. (ESA / Hubble / NASA / A. Filippenko / R. Jansen)