Почему антиматерии во Вселенной меньше, чем материи? Пролит свет на эту великую тайну

В ЦЕРНе, с помощью эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере, ученые изучали различия между частицами материи-антиматерии, устанавливая разницу в осцилляциях B0S-мезона и анти-B0S-мезона.

Об этом рассказывает профессор Ларс Эклунд из Университета Глазго в издании The Conversation.

Недостаток антиматерии во Вселенной -- одна из величайших загадок в физике. Все частицы, образующие материю вокруг нас - такие как электроны и протоны -- имеют версии в антиматерии, которые почти идентичны, но имеют зеркальные свойства, такие как противоположный электрический заряд. Когда частица антиматерии и частица материи встречаются, они уничтожаются во вспышке энергии.

Если антиматерия и материя действительно являются идентичными, но зеркальными копиями друг друга, то они бы были созданны в равных количествах во время Большого взрыва. Проблема в том, что это привело бы к аннигиляции их всех. Но сегодня во Вселенной почти не осталось антиматерии -- она ​​проявляется лишь при некоторых радиоактивных распадах и в небольшой доле космических лучей. Что с ней случилось? С помощью эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе для изучения отличия между материей и антиматерией, ученые обнаружили новый способ, как эта разница может проявиться.

Существование антиматерии было предусмотрено в 1928 году уравнением физика Пола Дирака, которое описывает движение электронов. Сначала не было понятно, или это просто математическая вычурность, или описание реальной частицы. Но в 1932 году Карл Андерсон во время изучения космических лучей, падающих на Землю из космоса, обнаружил партнера в антиматерии к электрону -- позитрон. В течение следующих нескольких десятилетий физики обнаружили, что все частицы материи имеют партнеров в антиматерии.

Ученые считают, что в очень горячем и плотном состоянии вскоре после Большого взрыва должны были происходили процессы, которые предпочитали материю над антиматерией. Это создало небольшой избыток материи, и когда Вселенная охладилась, вся антиматерия была уничтожена или аннигилирована равным ей количеством материи, оставив тот крохотный избыток материи. И именно с этого избытка состоит все, что мы видим во Вселенной сейчас.

Точно не ясно, какие именно процессы вызвали избыток, и физики десятилетиями были начеку.

Известная асимметрия

Поведение кварков, которые являются фундаментальными строительными блоками материи вместе с лептонами, может пролить свет на отличия между материей и антиматерией. Кварки бывают разных видов, или "ароматов", известных как "вверх" (u-кварк), "вниз" (b-кварк), "очарованный" (c-кварк), "странный" (s-кварк), "низ" (b-кварк) и "верх" (t-кварк), а также шесть соответствующих антикварков.

Кварки "вверх" и "вниз" -- из них состоят протоны и нейтроны в ядрах обычной материи, а другие кварки могут образовываться с помощью высокоэнергетических процессов -- например, при столкновении частиц в ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.

Частицы, состоящие из кварка и антикварка, называются мезонами, и есть четыре нейтральных мезона (B0S, B0, D0 and K0), которые показывают захватывающее поведение. Они могут спонтанно превратиться в своего партнера-античастицу, а затем снова назад -- явление, которое впервые наблюдалось в 1960 году. Поскольку они неустойчивы, при своих осцилляциях они "распадутся" -- развалятся -- на другие, более стабильные частицы. Этот распад происходит несколько иначе для мезонов по сравнению с антимезонами, что в сочетании с осцилляциями означает, что скорость распада меняется со временем.

Правила осцилляций и распадов задаются теоретической основой, которая называется механизмом Кабиббо-Кобаяси-Маскавы (ККМ). Он предусматривает, что существует различие в поведении материи и антиматерии, но такая, что слишком мала, чтобы сгенерировать избыток материи в ранней Вселенной, необходимый для объяснения состояния, который мы видим сегодня.

Это указывает на то, что есть нечто, чего мы не понимаем, и изучение этой темы может бросить вызов некоторым из наших самых фундаментальным теориям в физике.

Новая физика?

Недавний результат эксперимента LHCb с участием профессора Эклунда -- это исследование нейтральных мезонов B0S, наблюдая на их распад на пары заряженных K-мезонов. Мезоны B0S были созданы путем столкновения протонов с другими протонами в Большом адронном коллайдере, где они осциллировали в свой анти-мезон и обратно три триллиона раз в секунду. Эти столкновения также создали анти-B0S-мезоны, которые осциллируют таким же образом, давая образцы мезонов и анти-мезонов, которые можно было бы сравнить.

Ученые подсчитали количество распадов из двух выборок и сравнили эти два числа, чтобы увидеть, как эта разница меняется по мере прогрессии осцилляции. Была небольшая разница -- для одного из B0S-мезонов происходило больше распадов. И впервые с B0S-мезонами они наблюдали, что разница в распаде, или асимметрии, варьируется в зависимости от осцилляций между B0S-мезоном и антимезоном.

"Кроме того, что это было важным этапом в изучении отличий между материей и антиматерией, мы также смогли измерить размер асимметрий. Это может быть транслировано в измерения нескольких параметров базовой теории. Сравнение результатов с другими измерениями обеспечивает проверку согласованности, чтобы убедиться, является ли принятая в настоящее время теория правильным описанием природы. Поскольку незначительное преимущество материи над антиматерией, которое мы наблюдаем в микроскопических масштабах, не может объяснить огромное количество материи, которую мы наблюдаем во Вселенной, вполне вероятно, что наше современное понимание является приближением более фундаментальной теории", - отмечает профессор Эклунд.

"Исследование этого механизма, который, как мы знаем, может порождать асимметрии метерия-антиматерия, зондируя его с разных сторон, может подсказать нам, в чем заключается проблема. Изучение мира в мельчайших масштабах - это наш лучший шанс понять то, что мы видим в большем масштабе", - подчеркнул он.