Ученые засекли дисбаланс вселенского масштаба: материи оказалось больше антиматерии
Впервые в истории науки было зафиксировано нарушение симметрии между материей и антиматерией в распадах барионов — частиц, состоящих из трех кварков. Это удалось сделать физикам международной коллаборации LHCb, работающей на Большом адронном коллайдере (БАК) в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Отчет об открытии опубликован в журнале Nature.
Ключ к пониманию асимметрии Вселенной
В основе исследования лежит явление, известное как CP-нарушение, или нарушение зарядово-зеркальной симметрии. CP-симметрия предполагает, что законы физики остаются неизменными, если одновременно поменять заряд частиц на противоположный (C — зарядовая симметрия) и отразить их в зеркале (P — пространственная симметрия). Однако эксперименты показывают, что в реальности данная симметрия нарушается. Это означает, что материя и антиматерия ведут себя по-разному при некоторых взаимодействиях.
CP-нарушение считается одним из ключевых факторов, объясняющих, почему во Вселенной преобладает материя. Согласно современным космологическим теориям, после Большого взрыва материя и антиматерия должны были образоваться в равных количествах. Однако, если бы это было так, все частицы и античастицы аннигилировали бы, оставив после себя лишь излучение. Но наша Вселенная — это мир материи: планеты, звезды, галактики и мы сами состоим из материи, а антиматерия встречается крайне редко. Этот дисбаланс требует объяснения.
Новые объекты CP-нарушения
До настоящего момента нарушение CP-симметрии удавалось экспериментально зафиксировать лишь у мезонов — частиц, состоящих из пары кварк–антикварк. Эти исследования, начавшиеся еще в 1960-х годах, дали первые намеки на то, что материя и антиматерия могут вести себя по-разному. Однако барионы, которые состоят из трех кварков (например, протоны и нейтроны), до сих пор оставались вне поля зрения экспериментального подтверждения CP-нарушения. Это связано с тем, что такие измерения требуют исключительно высокой точности и сложного анализа данных.
Исследование коллаборации LHCb стало в этом плане настоящим прорывом. Ученые впервые смогли зафиксировать различия в поведении барионной материи и антиматерии при их распадах. Сюэтин Ян, один из ведущих участников проекта, рассказал: “Мы зафиксировали различие в распадах барионной материи и антиматерии. Это первая экспериментальная демонстрация CP-нарушения в частицах, состоящих из трех кварков, а не двух”.
Для достижения такого результата понадобились годы исследований и анализ огромных массивов данных, полученных в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Экспериментальное подтверждение CP-нарушения в барионах оказалось чрезвычайно сложным из-за их сложной структуры и особенностей распада. Тем не менее, ученым удалось зафиксировать различия в поведении этих частиц с высокой степенью достоверности.
Почему это важно
Хотя новые данные пока не дают окончательного ответа на вопрос, почему Вселенная состоит преимущественно из материи, они предоставляют важные зацепки для дальнейших исследований. Эти результаты подтверждают, что CP-нарушение может проявляться не только в мезонах, но и в барионах. Физики надеются, что дальнейшие исследования в этом направлении помогут выйти за рамки Стандартной модели физики — теории, описывающей взаимодействие элементарных частиц. В настоящее время стандартная модель, хотя и успешно объясняет большинство наблюдаемых явлений, не может полностью объяснить дисбаланс между материей и антиматерией. Новые данные могут указать на существование физики за пределами этой модели, что станет важным шагом к пониманию устройства Вселенной.
