Вселенная «сжульничала» при рождении? Новый эксперимент в ЦЕРНе приближает к пониманию асимметрии материи и антиматерии
Знаете, одна из самых больших загадок Вселенной звучит до смешного просто: почему мы вообще существуем? Точнее, почему существует вся эта материя — звёзды, планеты, мы с вами, — а вот антиматерии вокруг почти нет? Ведь по идее, после Большого взрыва их должно было родиться поровну. Представьте: на каждую частицу — своя античастица, как отражение в зеркале. И при встрече они должны были бы аннигилировать, исчезнуть во вспышке энергии. Но… вот мы здесь. А антиматерия где-то потерялась по дороге.
Физики давно подозревают, что «зеркало», отражающее частицы в античастицы, не совсем идеальное. Где-то в фундаментальных законах природы затаилась крошечная асимметрия, небольшой «сбой», который и дал материи шанс выжить. Этот феномен называют нарушением CP-симметрии, или комбинированной чётности. Звучит мудрёно, да? Попросту говоря, это означает, что некоторые процессы в мире частиц и в мире античастиц идут немного по-разному. Как если бы ваше отражение в зеркале подмигнуло вам правым глазом, когда вы подмигиваете левым.
Мезоны — первые «подозреваемые»
Уже довольно давно, ещё в 60-х, учёные заметили эту странность у частиц под названием мезоны. Это такие составные частицы, склеенные из кварка и антикварка (да, в микромире всё состоит из ещё более мелких «кирпичиков»). Обнаружение CP-нарушения у мезонов стало настоящим прорывом! Оно подтвердило, что асимметрия между материей и антиматерией — не выдумка, а реальность.
Но вот загвоздка: той асимметрии, что нашли у мезонов, оказалось катастрофически мало. Её и близко не хватает, чтобы объяснить, почему наша Вселенная состоит почти исключительно из материи. Физики поняли: нужно искать дальше. Где-то должны быть ещё источники этой спасительной асимметрии. И главный кандидат? Другой класс частиц — барионы.
Барионы вступают в игру: долгожданное доказательство
Барионы — это «тяжеловесы» микромира. В отличие от мезонов, они состоят из трёх кварков. Самые известные барионы — это протоны и нейтроны, из которых состоят ядра атомов всего, что нас окружает. Логично было предположить, что если уж мезоны «нарушают правила», то и барионы должны быть на это способны. Но поймать их на этом оказалось задачей не из лёгких. Почему?
Ну, во-первых, ожидаемый эффект у барионов должен быть ещё меньше, чем у мезонов. Это как искать иголку не просто в стоге сена, а в очень-очень большом стоге сена, да ещё и иголка эта микроскопическая. Во-вторых, нужны были невероятные мощности и точность.
И вот здесь на сцену выходит Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе и его чуткий «глаз» — эксперимент LHCb. Эта коллаборация учёных со всего мира годами собирала данные о столкновениях частиц, разогнанных до почти световых скоростей. Им нужен был особый вид барионов — так называемые прелестные лямбда-барионы (Λb). Это короткоживущие «кузены» протонов и нейтронов, в составе которых есть тяжёлый «прелестный» кварк.
Зачем именно они? Потому что их распады — это как раз то окошко, через которое можно подглядеть за работой CP-симметрии. Учёные терпеливо анализировали гигантские объёмы данных, выискивая следы распада Λb-бариона и его античастицы, анти-Λb. Представьте себе: им пришлось просеять информацию о более чем 80 000 таких событий!
И вот, наконец-то! Данные, собранные за годы работы БАК (с 2009 по 2018), показали то, чего так долго ждали. Оказалось, что Λb-барион и его античастица распадаются с немного разной частотой. Разница небольшая, всего около 2,45%, но статистическая значимость этого результата — 5,2 стандартных отклонения. В мире физики частиц это очень весомый аргумент, гораздо выше порога, который позволяет уверенно говорить: «Да, мы это увидели!» Впервые в истории CP-нарушение было надёжно зафиксировано в распадах барионов.
Почему это так важно? Зеркало треснуло, но загадка осталась
Казалось бы, ну нашли ещё один пример асимметрии, что с того? А дело вот в чём. Наша текущая «инструкция» к миру элементарных частиц — Стандартная модель — в принципе, предсказывает CP-нарушение и для барионов. Но вот количественно… опять не сходится! Даже с учётом нового открытия, суммарной асимметрии, которую описывает Стандартная модель, всё ещё недостаточно, чтобы объяснить доминирование материи во Вселенной.
И вот тут начинается самое интересное. Это явный намёк на то, что Стандартная модель — это ещё не вся история. Должна существовать какая-то «новая физика» за её пределами, какие-то пока неизвестные нам частицы или взаимодействия, которые вносят свой вклад в асимметрию материи и антиматерии.
Обнаружение CP-нарушения у барионов — это не просто галочка в списке достижений. Это новый, мощный инструмент для исследования этой самой «новой физики». Теперь учёные могут сравнивать экспериментальные данные по барионам с предсказаниями различных теорий, выходящих за рамки Стандартной модели. Это как получить новый ключ к старой запертой двери — мы пока не знаем, что за ней, но шанс её открыть стал выше.
Что дальше? Новые горизонты
«Чем больше систем, где мы видим CP-нарушение, и чем точнее наши измерения, тем больше у нас шансов проверить Стандартную модель и заглянуть за её пределы», — говорит Винченцо Ваньони, представитель коллаборации LHCb. И он прав.
Это открытие — не конец пути, а только начало нового этапа. Оно открывает дорогу для новых экспериментов и теоретических расчётов. Возможно, именно детальное изучение поведения барионов поможет нам наконец понять, почему зеркало Вселенной оказалось с трещиной, и почему мир вокруг нас именно такой — материальный.
Каждый такой шаг, каждое новое знание о фундаментальных законах природы, пусть даже касающееся таких экзотических частиц, как прелестные лямбда-барионы, приближает нас к ответу на тот самый вопрос: почему мы здесь? И, честно говоря, это невероятно увлекательное путешествие!
