14 Експерименти на Великому адронному колайдері виявили вирішальну відмінність у поведінці матерії та антиматерії, що може пояснити, чому наш Всесвіт уникнув повного знищення після Великого вибуху.
Антиматерія за своєю природою майже ідентична звичайній матерії, але її частинки мають протилежний заряд. При зустрічі матерія та антиматерія взаємно анігілюють, перетворюючись на вибух енергії. Фізичні моделі припускають, що Великий вибух мав створити рівні кількості обох видів речовини. Така рівновага мала би призвести до повного знищення всіх частинок задовго до формування галактик та планет.
Фундаментальна асиметрія Всесвіту
Оскільки наш Всесвіт існує і в ньому переважає звичайна матерія, щось мало порушити цю початкову рівновагу. Фізики з ЦЕРНу проаналізували дані з Великого адронного колайдера і знайшли переконливі докази асиметрії.
Згідно з теорією, усі частинки повинні підпорядковуватися принципу, відомому як “симетрія зарядового паритету” (СР). За цим принципом, якщо поміняти заряди всіх частинок та інвертувати їхні просторові координати, фізичні закони залишаться незмінними. Проте деякі взаємодії порушують цю симетрію.
Ще в 1964 році науковці виявили, що частинки під назвою мезони K2 іноді розпадаються способами, які порушують СР-симетрію. Це відбувалося рідко — приблизно 2 випадки на 1000 розпадів. Подальші експерименти виявили схожі порушення в інших типах мезонів.
Прорив у дослідженні баріонів
Вагомий науковий прогрес відбувся, коли порушення СР-симетрії виявили в баріонах. “Причина, чому на спостереження порушення СР у баріонів пішло більше часу, ніж у мезонів, полягає в розмірі ефекту та наявних даних”, — пояснює Вінченцо Ваньоні, речник колаборації LHCb.
Дослідники зосередилися на частинках, які називаються красивими лямбда-баріонами (?b), та їхніх античастинках. Теоретично ці частинки та їхні антипари мали б розпадатися однаково. Науковці проаналізували десятки тисяч розпадів, зафіксованих під час роботи колайдера між 2009 і 2018 роками.
Результат виявився вражаючим: дослідники зафіксували різницю приблизно в 2,45 відсотка між розпадами матерії та антиматерії. Це відхилення в 5,2 стандарти від нуля — достатньо значуще, щоб підтвердити порушення СР-симетрії. Такий результат має критичне значення для розуміння еволюції Всесвіту.
Наслідки відкриття для сучасної фізики
“Нам знадобилося понад 80 000 розпадів баріонів, щоб вперше побачити асиметрію матерії-антиматерії в цьому класі частинок”, — додає Ваньоні. Цей прорив може вказувати на існування нових сил і частинок, не описаних у Стандартній моделі фізики.
Вчені сподіваються, що подальші дослідження допоможуть відповісти на фундаментальне питання: чому антиматерія не знищила весь вміст Всесвіту на початку його існування. “Чим більше систем, в яких ми спостерігаємо порушення СР, і чим точніші вимірювання, тим більше у нас можливостей перевірити Стандартну модель і шукати фізику за її межами”, — підкреслює Ваньоні.
Дослідження вже подано до журналу Nature, а його попередня версія доступна на arXiv. Фізики продовжують аналізувати дані з Великого адронного колайдера, шукаючи інші прояви асиметрії між матерією та антиматерією, які допоможуть пояснити, чому ми існуємо.
