Раскрыт новый источник асимметрии между веществом и антивеществом

Фрагмент LHC, сектор 3-4. Изображение: Maximilien Brice, CERN

Почему мы существуем? Это, пожалуй, один из самых сложных вопросов, и он может оказаться совершенно за пределами понимания физики элементарных частиц. Но новый эксперимент на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе приблизил нас к пониманию этого.

Чтобы понять почему, давайте вернемся назад во времена Большого взрыва на 13,8 миллиардов лет назад. Это событие произвело равное количество вещества, из которого состоит все материальное, а также нечто, называемое антивеществом. Считается, что каждая частица имеет аналог в виде антивещества, которое практически идентично этому веществу, но с противоположным зарядом. Когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют друг друга, исчезая во вспышке света.

Почему Вселенная, которую мы видим сегодня, целиком состоит из материи, является одной из величайших загадок современной физики. Ведь при равном количестве вещества и антивещества, все во вселенной было бы уничтожено. Эксперимент LHCb со статистической достоверностью 99,9999% раскрыл новый источник асимметрии между веществом и антивеществом, позволяющий веществу доминировать во вселенной.

Основными строительными блоками из которых состоят атомы, являются элементарные частицы, называемые кварками и лептонами. Существует шесть видов кварков:

Кварки u (от англ. up — «вверх») и d (от англ. down — «вниз») называют обычными, s — кварк (от англ. strange — «странный», или sideways — «боковой») называют странным, с — кварк (от англ. charm — «шарм», «очарование») — шармированным или очарованным, b -кварк (от англ. beauty — «красота» или bottom — «нижний») — красивым или прелестным, t — кварк (от англ. truth — «истинный»).

Точно так же есть шесть лептонов: электрон, мюон, тау и три вида нейтрино.

В дополнение к «вещественным», существуют антивещественные копии этих двенадцати частиц, которые отличаются только своим зарядом.

Частицы антивещества в принципе должны быть идеальным зеркальным отражением их нормальных спутников, но эксперименты показывают, что это не всегда так. Возьмем, к примеру, частицы, известные как мезоны, которые состоят из одного кварка и одного антикварка. Нейтральные мезоны имеют удивительную особенность: они могут самопроизвольно превращаться в свой анти-мезон и наоборот. Но эксперименты показали, что это может происходить больше в одном направлении, чем в противоположном, создавая со временем больше вещества, чем антивещества.

Теории и эксперимент

Среди частиц, содержащих кварки, обнаружены такие асимметрии только у тех, которые включают странные и нижние кварки, и это были чрезвычайно важные открытия. Самое первое наблюдение асимметрии с участием странных частиц в 1964 году позволило теоретикам предсказать существование шести кварков в то время, когда было известно, что существует только три кварка. Открытие асимметрии в b частицах в 2001 году стало окончательным подтверждением шести кварковой картины. Оба открытия привели к Нобелевской премии.

И странный, и нижний кварки (s и d — кварки) несут отрицательный электрический заряд. Единственный положительно заряженный кварк, который в теории способен образовывать частицы, проявляющие асимметрию вещества и антивещества, это с — кварк (очарование). Теория предполагает, что если это так, то эффект должен быть крошечным и его трудно обнаружить.

Но эксперимент LHCb смог показать такую ​​асимметрию в частицах, называемых D-мезонами, которые состоят из кварков очарования. Это стало возможным благодаря беспрецедентному количеству частиц очарования, полученным непосредственно в столкновениях на Большом адронном коллайдере. Результаты показывают, что вероятность статистической ошибки приблизительно равна 50 на 1 000 000 000.

Так как несколько известных случаев асимметрии не могут объяснить, почему во вселенной так много материи. Одного открытия очарования будет недостаточно, чтобы заполнить этот пробел, но это важная часть головоломки в понимании взаимодействия фундаментальных частиц.

Следующие шаги

За открытием последует увеличение количества теоретических работ, которые помогут интерпретировать результат. Но что еще более важно, он наметит дальнейшие исследования.

В предстоящее десятилетие нас ожидает модернизированный эксперимент LHCb, который будет дополнен экспериментом Belle II в Японии. Эксперимент AMS-2 на борту Международной космической станции и еще целый ряд текущих и будущих экспериментов будет посвящен вопросу о том, существует ли асимметрия вещества и антивещества среди нейтрино.

Хотя мы до сих пор не можем полностью разгадать тайну асимметрии материи и антивещества во вселенной, наше последнее открытие открыло дверь в эру точных измерений, которые могут раскрыть еще неизвестные явления.