Чому антиматерії у Всесвіті менше, ніж матерії? Пролито світло на цю велику таємницю

В ЦЕРНі, за допомогою експерименту LHCb на Великому адронному коллайдері, вчені вивчали відмінності між частинками матерії-антиматерії, встановлюючи різницю в осциляціях B0S-мезона та анти-B0S-мезона.

Про це розповідає професор Ларс Еклунд з Університету Глазго у виданні The Conversation.

Зникла антиматерія Всесвіту -- одна з найбільших загадок у фізиці. Всі частинки, що утворюють матерію навкруги нас -- такі як електрони і протони -- мають версії в антиматерії, які майже ідентичні, але мають дзеркальні властивості, такі як протилежний електричний заряд. Коли частинка антиматерії і частинка матерії зустрічаються, вони знищуються у спалаху енергії.

Якщо антиматерія і матерія є справді ідентичними, але дзеркальними копіями одна одної, то вони б мали бути створені у рівних кількостях під час Великого вибуху. Проблема в тому, що це призвело б до анігіляції їх всіх. Але сьогодні у Всесвіті майже не залишилося антиматерії -- вона проявляється лише при деяких радіоактивних розпадах та в невеликій частці космічних променів. То що з нею сталося? За допомогою експерименту LHCb на Великому адронному коллайдері в ЦЕРНі для вивчення відмінності між матерією та антиматерією, вчені виявили новий спосіб, як ця різниця може проявитися.

Існування антиматерії було передбачено у 1928 році рівнянням фізика Пола Дірака, що описує рух електронів. Спочатку не було зрозуміло, чи це просто математична химерність, чи опис реальної частинки. Але у 1932 році Карл Андерсон під час вивчення космічних променів, які падають на Землю з космосу, виявив партнера в антиматерії до електрона -- позитрон. Протягом наступних кількох десятиліть фізики виявили, що всі частинки матерії мають партнерів у антиматерії.

Вчені вважають, що в дуже гарячому і щільному стані незабаром після Великого вибуху мали відбувалися процеси, які надавали перевагу матерії перед антиматерією. Це створило невеликий надлишок матерії, і коли Всесвіт охолодився, вся антиматерія була знищена або анігільована рівною їй кількістю матерії, залишивши той крихітний надлишок матерії. І саме з цього надлишку складається все, що ми бачимо у Всесвіті зараз.

Точно не зрозуміло, які саме процеси спричинили надлишок, і фізики десятиліттями пильнували.

Відома асиметрія

Поведінка кварків, які є фундаментальними будівельними блоками матерії разом з лептонами, може пролити світло на відмінності між матерією та антиматерією. Кварки бувають різних видів, або "ароматів", відомих як "угору" (u-кварк), "вниз" (b-кварк), "зачарований" (c-кварк), "дивний" (s-кварк), "низ" (b-кварк) та "верх" (t-кварк), а також шість відповідних антикварків.

Кварки "угору" та "вниз" -- з них складаються протони та нейтрони в ядрах звичайної матерії, а інші кварки можуть утворюватися за допомогою високоенергетичних процесів -- наприклад, при зіткненні частинок у прискорювачах, таких як Великий адронний колайдер в ЦЕРНі.

Частинки, що складаються з кварка та антикварка, називаються мезонами, і є чотири нейтральних мезони (B0S, B0, D0 and K0), які показують захоплюючу поведінку. Вони можуть спонтанно перетворитися на свого партнера-античастинку, а потім знову назад -- явище, яке вперше спостерігалося у 1960 році. Оскільки вони нестійкі, під час своїх осциляцій вони "розпадуться" -- розваляться -- на інші, більш стабільні частинки. Цей розпад трапляється дещо інакше для мезонів порівняно з антимезонами, що в поєднанні з осциляціями означає, що швидкість розпаду змінюється з часом.

Правила осциляцій та розпадів задаються теоретичною основою, яка називається механізмом Кабіббо-Кобаясі-Маскави (ККМ). Він передбачає, що існує розбіжність у поведінці матерії та антиматерії, але така, що є занадто малою, щоб згенерувати надлишок матерії в ранньому Всесвіті, необхідний для пояснення достатку, який ми бачимо сьогодні.

Це вказує на те, що є дещо, чого ми не розуміємо, і що вивчення цієї теми може кинути виклик деяким з наших найбільш фундаментальних теорій у фізиці.

Нова фізика?

Недавній результат експерименту LHCb за участю професора Еклунда -- це дослідження нейтральних мезонів B0S, спостерігаючи на їх розпад на пари заряджених K-мезонів. Мезони B0S були створені шляхом зіткнення протонів з іншими протонами у Великому адронному колайдері, де вони осцилювали у свій анти-мезон і назад три трильйони разів на секунду. Ці зіткнення також створили анти-B0S-мезони, які осцилюють таким самим чином, даючи зразки мезонів та анти-мезонів, які можна було б порівняти.

Вчені підрахували кількість розпадів з двох вибірок і порівняли ці два числа, щоб побачити, як ця різниця змінюється у міру прогресії осциляції. Була невелика відмінність -- для одного з B0S-мезонів відбувалося більше розпадів. І вперше з B0S-мезонами вони спостерігали, що різниця в розпаді, або асиметрії, варіюється залежно від осциляцій між B0S-мезоном та антимезоном.

"Окрім того, що це було важливим етапом у вивченні відмінностей між матерією та антиматерією, ми також змогли виміряти розмір асиметрій. Це може бути трансльовано у вимірювання кількох параметрів базової теорії. Порівняння результатів з іншими вимірами забезпечує перевірку узгодженості, щоб переконатися, чи є прийнята на даний час теорія правильним описом природи. Оскільки незначна перевага матерії над антиматерією, яку ми спостерігаємо в мікроскопічних масштабах, не може пояснити величезну кількість матерії, яку ми спостерігаємо у Всесвіті, цілком імовірно, що наше сучасне розуміння є наближенням більш фундаментальної теорії", - зазначає професор Еклунд.

"Дослідження цього механізму, який, як ми знаємо, може породжувати асиметрії метерія-антиматерія, зондуючи його з різних сторін, може підказати нам, у чому полягає проблема. Вивчення світу в найменших масштабах -- це наш найкращий шанс зрозуміти те, що ми бачимо в найбільшому масштабі", - підкреслив він.