Многие физики предполагают, что в момент Большого взрыва 13,8 миллиардов лет назад материя и антиматерия должны были появиться в равных количествах. Однако, если бы это соответствовало действительности, частицы и античастицы аннигилировали бы друг друга, оставив лишь энергию, и Вселенная не смогла бы сформироваться. Очевидно, этого не произошло — значит, в ранней Вселенной существовал механизм, нарушивший симметрию между материей и антиматерией.
Ученый пытаются объяснить этот дисбаланс с помощью явления под названием нарушение CP-инвариантности (CP-симметрии).
CP-симметрия предполагает, что законы физики одинаковы для частиц и их «зеркальных» античастиц. Однако в 1964 году физики обнаружили, что некоторые частицы (например, каоны) распадаются чуть иначе, чем их «антиматериальные двойники». Это первое доказательство нарушения CP-симметрии стало прорывом, но его масштаб оказался слишком мал, чтобы объяснить доминирование материи.
Статья по теме: Ученые получили новые данные об экзотических тяжелых адронах
Последние открытия, сделанные на экспериментальной установке LHCb (одной из детекторных систем Большого адронного коллайдера), внесли дополнительную ясность в эту проблему. Физики из ЦЕРНа, крупнейшей лаборатории элементарных частиц в мире, проанализировали данные столкновений протонов и обнаружили два новых примера CP-симметрии.
Первый пример связан с лямбда-барионом с b-кварком. Это нестабильная частица, которая сразу же после своего рождения начинает распадаться. Данные эксперимента показали, что скорость и механизм ее распада отличаются от аналогичных процессов у ее «зеркального» собрата. Это явное свидетельство CP-симметрии.
Во втором случае физики изучили распад B-мезона (частицы, содержащей «прелестный» b-кварк) и его античастицы. Здесь также зафиксировали асимметрию в процессах распада. Оба явления предсказаны Стандартной моделью физики, но ранее их не наблюдали экспериментально.
Стать по теме: Самый мощный нейтрино в истории обнаружили на морском дне
По мнению ученых, оба этих примера подтверждают, что во Вселенной действительно существуют процессы, ведущие к дисбалансу между материей и антиматерией.
Ведущий автор исследования Озлем Озчелик (Ozlem Ozcelik), отметила, что предсказания Стандартной модели — основной теории, описывающей элементарные частицы и их взаимодействия, — допускают существование подобных CP-симметрий. Однако ученые пока не могут объяснить, почему во Вселенной материи значительно больше, чем антиматерии. Это значит, что либо в механизме нарушения CP-инвариантности есть еще не обнаруженные детали, либо существует другая, пока неизвестная физика, выходящая за рамки Стандартной модели.
Роберт Флейшер (Robert Fleischer), эксперт по субатомной физике из Нидерландов, считает, что это исследование — важный шаг вперед. Он подчеркнул, что достигнутая экспериментальная точность впечатляет, а значит, ученым, вероятно, удастся найти еще больше случаев CP-симметрии. Возможно, среди них окажутся и такие, которые укажут на новые физические законы.
Следующая фаза исследований начнется в 2030 году, когда обновленный БАК увеличит количество столкновений в десять раз. Это позволит изучать редкие частицы, которые сейчас почти невозможно зафиксировать. Озчелик и ее коллеги попробуют найти новые типы нарушений CP-инвариантности.
Результаты исследования представлены в двух статьях (1,2), опубликованных в журнале Physical Review Letters.