Матерія і антиматерія повинні були повністю знищити одна одну ще еони тому, залишивши Всесвіт абсолютно порожнім місцем. Очевидно, що цього не сталося. Експерименти на Великому адронному колайдері (LHC) могли виявити нові підказки щодо того, як нам вдалося уникнути цієї апокаліптичної долі. Дослідження натякають на несподівану відмінність у розпадах частинок, званих баріонами, і їхніх антиматеріальних двійників.
Антиматерія, по суті, повинна бути ідентичною звичайній матерії, за винятком того, що її античастинки мають протилежний заряд відповідним частинкам. Проте ця крихітна відмінність має величезні наслідки: коли частинка і античастинка зустрічаються, вони знищують одна одну у спалаху енергії.
Моделі вказують, що Великий вибух мав створити однакову кількість матерії та антиматерії. Однак це означало б, що всі частинки, що утворилися на ранніх етапах, мали б анулювати одна одну ще до того, як могли б сформуватися зірки, планети та саме життя.
Оскільки ми тут, щоб розмірковувати над цим парадоксом, очевидно, що щось змінило перебіг подій. Через якийсь невідомий механізм у Всесвіті залишилося трохи більше матерії, ніж антиматерії. Фізики CERN проаналізували дані LHC та виявили переконливі докази того, що існують й інші відмінності в поведінці матерії й антиматерії, які сприяють цій асиметрії, від якої залежить наше існування.
Порушення симетрії CP: ключ до розгадки
Згідно з теорією, усі частинки повинні підкорятися так званій симетрії заряд-парність (CP). Іншими словами, якщо б ми змінили заряд усіх частинок у Всесвіті на протилежний і дзеркально відобразили їхні координати у просторі, цей «дзеркальний» Всесвіт усе ще мав би дотримуватися тих самих фізичних законів.
Проте з’ясувалося, що деякі взаємодії порушують цю симетрію. У 1964 році було проведено знаковий експеримент, який показав, що частинки, відомі як K²-мезони, іноді розпадаються на продукти, що неможливі без порушення симетрії CP. Це траплялося вкрай рідко — приблизно у 2 випадках з 1000 розпадів, але навіть цього було достатньо, щоб кинути виклик тодішнім уявленням про фізику.
CERN знаходить підказки щодо того, як Всесвіту вдалося уникнути антиматеріальної апокаліптики
Протягом наступних десятиліть виявляли схожі порушення CP у різних інших частинках, але завжди лише серед мезонів. Це не могло пояснити рідкість антиматерії у Всесвіті. Досі порушення CP не спостерігали у баріонах — основному класі частинок, з яких складається більшість видимої матерії у Всесвіті.
Нове дослідження вперше виявило порушення CP у баріонах за допомогою експерименту, подібного до дослідження 1964 року, але в значно більшому масштабі. Замість K²-мезонів дослідники зосередилися на частинках, відомих як лямбда-бьюті-баріони (Λb) і їхніх антиподах.
Якщо симетрія CP діє, то Λb і анти-Λb повинні розпадатися з однаковою швидкістю. Якщо ж існує значна різниця, це свідчить про порушення CP.
Дослідники з колаборації LHCb проаналізували десятки тисяч розпадів, зафіксованих під час перших двох запусків LHC у 2009–2018 роках. Вони виявили різницю приблизно в 2,45% між розпадами матерії й антиматерії. Це відхилення на 5,2 стандартних відхилення від нуля, що є достатньо значним для підтвердження спостереження порушення CP.
«Причина, через яку знадобилося більше часу для спостереження порушення CP у баріонах, ніж у мезонах, полягає в розмірі ефекту та доступних даних», — пояснює Вінченцо Ваньоні, представник колаборації LHCb.
«Нам була потрібна установка, така як LHC, здатна виробляти достатню кількість бьюті-баріонів і їхніх антиматеріальних аналогів, а також експеримент, здатний точно визначати їхні продукти розпаду.
Знадобилося понад 80 000 розпадів баріонів, щоб вперше побачити асиметрію матерії та антиматерії у цьому класі частинок.» Цей прорив може надати підказки про існування нових сил і частинок, які допоможуть розв’язати загадку, чому антиматерія не знищила весь Всесвіт.
«Чим більше систем, у яких ми спостерігаємо порушення CP, і чим точніші вимірювання, тим більше можливостей ми маємо перевірити Стандартну модель і знайти фізику за її межами», — додає Ваньоні.
Дослідження було подано до журналу Nature, а версія, що ще не пройшла рецензування, наразі доступна на arXiv.
