Распад особых частиц может объяснить, почему существует наша Вселенная

Почему мы существуем? Физики нашли новый механизм асимметрии материи и антиматерии

Мы живем в мире, где везде — материя. Звезды, планеты, вы, я, этот текст. Но по законам физики после Большого взрыва должно было быть поровну материи и антиматерии. А если поровну — они бы полностью аннигилировали, оставив после себя только излучение. Ничего бы не было. Но мы есть. Почему? Десятилетиями ученые искали ответ. И вот свежая работа китайской группы из Института Цзундао Ли предлагает новый механизм — с очарованными барионами. Звучит сложно, но на деле это красивое объяснение того, как крошечные различия в распаде частиц спасли Вселенную.

Проблема, которая не давала спать космологам

Барионная асимметрия — это термин для разрыва между количеством материи и антиматерии. Стандартная модель физики элементарных частиц не может его объяснить. По ней, в ранней Вселенной частиц и античастиц было строго поровну. Но наблюдения говорят обратное: на каждые 10 миллиардов антипротонов приходится 10 миллиардов плюс один протон. Казалось бы, мизер. Но именно этот избыток материи позволил сформироваться галактикам. Без него — пустота. Раньше считалось, что асимметрия возникает только из-за редких процессов CP-нарушения в распадах K- и B-мезонов. Но этих процессов слишком мало, чтобы объяснить наблюдаемую картину. Новая работа предполагает: мы смотрели не на те частицы.

Без этой асимметрии после Большого взрыва всё бы аннигилировало — и нас бы не было. Вот почему это открытие — не просто абстрактная физика, а ключ к пониманию самого факта нашего существования.

Очарованные барионы: нестабильные, но важные

В центре исследования — очарованные барионы. Это частицы, состоящие из трех кварков, один из которых — очарованный (c-кварк). Они живут ничтожно мало, распадаясь за доли секунды. Но именно в их распаде китайские физики нашли ключ. Они применили сложный математический аппарат и показали: различие между поведением очарованных барионов и их античастиц — антибарионов — может быть в десять раз больше, чем предсказывали старые теории. Как это работает? Дело в перерассеянии в конечном состоянии. Когда барион распадается, его продукты разлетаются и иногда сталкиваются друг с другом вторично. Эти микроскопические «дополнительные» взаимодействия вносят коррективы в итоговое распределение частиц. Для материи и антиматерии эти коррективы разные — из-за слабого CP-нарушения. И на космологических масштабах такая разница накапливается, давая материи преимущество.

Как это работает: пошаговая логика

• Шаг 1. В ранней Вселенной после Большого взрыва очарованные барионы и антибарионы рождаются в равных количествах.
• Шаг 2. Они распадаются, но из-за CP-нарушения вероятности распада по разным каналам не совпадают для частиц и античастиц. Разница достигает 10% (раньше ожидали ~1%).
• Шаг 3. Продукты распада испытывают перерассеяние — сталкиваются друг с другом, изменяя конечный состав. Этот эффект дополнительно усиливает асимметрию.
• Шаг 4. За миллиарды лет микроскопический перевес материи над антиматерией превращается в наблюдаемое доминирование.

Что говорит таблица: новая модель против старой

Примечание автора: Цифры условные, отражают порядок величин. Главное — новая модель дает в 1000 раз больше асимметрии, чем старая, и вписывается в наблюдения.

Эксперименты уже готовы — осталось доказать

Самое приятное: эту теорию можно проверить. Детектор LHCb в ЦЕРНе и японский Belle II уже сейчас способны регистрировать распады очарованных барионов с нужной точностью. А китайский коллайдер Super Tau-Charm Facility, который строится, даст еще более богатый материал. Физики уже разработали диаграммы, показывающие, как именно распад очарованных барионов создает избыток материи. Если эксперименты подтвердят предсказания, это станет прорывом. Личное наблюдение: недавно я заметил, что многие новости о частицах проходят мимо читателей — слишком абстрактно. Но эта работа — редкий случай, когда теорию можно «пощупать» на существующих установках. И это меняет дело.

Что дальше?

Пока это чистая теория. Но у нее есть все шансы стать недостающим звеном в объяснении барионной асимметрии. Возможно, мы стоим на пороге открытия, которое ответит на детский вопрос: «Почему вообще что-то существует, а не ничего?» Следите за новостями из LHCb — первые результаты могут появиться уже через год-два. Если они совпадут с расчетами китайской группы, стандартную модель придется серьезно дорабатывать. А значит — физику ждет новый золотой век.

Резюме от автора: Мы — результат того, что очарованные барионы когда-то распались чуть-чуть иначе, чем их двойники-призраки. Звучит романтично, не правда ли? До проверки — верить или нет — но пока это одна из самых элегантных гипотез.