Вселенная «сжульничала» при рождении? Новый эксперимент в ЦЕРНе приближает к пониманию асимметрии материи и антиматерии

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

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.

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
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.

Иллюстрация рождения Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B> в pp-столкновении и распада на конечное состояние pK⁻π⁺π⁻. Две диаграммы-врезки слева иллюстрируют фундаментальные процессы древесного и петлевого типов на кварковом уровне, которые опосредуют распад Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B> → pK⁻π⁺π⁻, в которых кварки в конечном итоге образуют адроны p, K⁻, π⁺ и π⁻, детектируемые в эксперименте LHCb.
Иллюстрация рождения Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B> в pp-столкновении и распада на конечное состояние pK⁻π⁺π⁻. Две диаграммы-врезки слева иллюстрируют фундаментальные процессы древесного и петлевого типов на кварковом уровне, которые опосредуют распад Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B> → pK⁻π⁺π⁻, в которых кварки в конечном итоге образуют адроны p, K⁻, π⁺ и π⁻, детектируемые в эксперименте LHCb.
Автор: LHCb collaboration Источник: arxiv.org
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.

Распределения по массе в резонансном фазовом пространстве R(pπ⁺π⁻). (а) Распределение по массе pπ⁺π⁻, включающее как кандидаты Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B>, так и <0xC8><0x85>Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B>. Структура при малых массах соответствует возбужденным нуклонным резонансам, распадающимся на конечное состояние pπ⁺π⁻, в то время как широкая структура при больших массах возникает из-за других процессов распада бариона Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B>. Распределения по массе для кандидатов в области, ограниченной красным прямоугольником на (а), показаны для (б) распада Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B> → pK⁻π⁺π⁻ и (в) распада <0xC8><0x85>Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B> → <0xC8><0x85>pK⁺π⁻π⁺, вместе с проекциями фита и отдельными компонентами.
Распределения по массе в резонансном фазовом пространстве R(pπ⁺π⁻). (а) Распределение по массе pπ⁺π⁻, включающее как кандидаты Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B>, так и <0xC8><0x85>Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B>. Структура при малых массах соответствует возбужденным нуклонным резонансам, распадающимся на конечное состояние pπ⁺π⁻, в то время как широкая структура при больших массах возникает из-за других процессов распада бариона Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B>. Распределения по массе для кандидатов в области, ограниченной красным прямоугольником на (а), показаны для (б) распада Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B> → pK⁻π⁺π⁻ и (в) распада <0xC8><0x85>Λ⁰<0xE2><0x82><0x9B> → <0xC8><0x85>pK⁺π⁻π⁺, вместе с проекциями фита и отдельными компонентами.
Автор: LHCb collaboration Источник: arxiv.org
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!

3 комментария

Добавить комментарий

M
У меня есть объяснение. Представьте себе, что материя как колесо. Она может вращаться в одну сторону, а может в другую. В какую — не существенно. Теория большого взрыва, которая кстати сама по себе сомнительна, т.к. исходит из пока недоказанного расширения вселенной с ускорением, предполагает, что изначально колесо стояло на месте и никуда не вращалось. Это подразумевает, что если есть вращение в одну сторону, то где то должно быть абсолютно равное вращение в другую. Тут конечно можно предположить, что у нашей вселенной есть зеркальное отражение, которое ушло в «прошлое» от большого взрыва в противоположном от нас направлении. Это все классно. Но может все проще? Знаете. В конечном итоге у энергии может не быть четкого нуля. Она может быть как координата. Где находится начало координат? Да нигде. Там, где нам удобно. Так и это вращение может быть относительным. Что значит отсутствие вращения в абсолютном понимании? Да его не существует. Мы принимаем за 0 энергии то, что нам удобно за него принять. Что то может покоится в одной системе отсчета, но вращаться в другой. Так и тут. То, что мы видим этот мир как наполненный именно частицами — просто означает, что относительно нас колесо вращается именно в эту сторону. Но это вовсе не значит, что это так везде.
a
Спонтанное нарушение симметрии известно давным-давно. Другой вопрос, как его применить к «всему».
Теория большого взрыва, которая кстати сама по себе сомнительна, т.к. исходит из пока недоказанного расширения вселенной с ускорением, предполагает, что изначально колесо стояло на месте и никуда не вращалось.

Большой взрыв имеет отношение к расширению, которое доказано. Ускоренное или нет — это к большому взрыву не относится, это уже детали.
a
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.

Нашли новость. То, что СМ — промежуточная модель, известно с самого начала ее создания.

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Что, если мы уже поймали сигналы инопланетян, но приняли их за пульсары? Вычислить их поможет алгоритм общения светлячков

Программы поиска внеземных цивилизаций (SETI) с момента своего появления в середине XX века опирались на представления о технологиях, которыми в тот момент обладало само человечество....

Почему компьютерные колонки трещали за секунду до звонка мобильного телефона

Телефон лежит на столе возле компьютера. В колонках неожиданно раздаётся знакомое «ты-ды-дыы, ты-ды-дыы». Через мгновение загорается экран и начинает играть мелодия вызова. Можно заранее потянуться...

Почему домашний йогурт готовится проще, чем кажется на самом деле

Если вы думаете, что приготовление домашнего йогурта — это сложно, дорого и требует каких-то особых кулинарных навыков, то спешу вас разубедить. На самом деле все гораздо проще. Вам не...

Почему механические клавиатуры — это прошлый век и за каким форматом будущее

Еще несколько лет назад механическая клавиатура считалась практически обязательным атрибутом игрового компьютера. Разнообразие переключателей, приятный звук нажатий, возможность подобрать усилие и...

Почему нельзя оставлять зарядное устройство от смартфона в розетке: скрытые риски, о которых многие забывают

Зарядка смартфона давно стала привычной частью домашнего быта. Телефон поставили на ночь, утром отключили кабель, а сам адаптер так и остался в розетке. Через несколько часов к нему снова подключат...

Почему у старых телефонов на спинке был ещё один разъём и как он выручал в начале 2000-х

В моей небольшой коллекции телефонов есть несколько экземпляров из первой половины 2000-х. Парочка из них (Siemens C72 и Alcatel One Touch 331) оснащена загадочным разъёмом, который располагается...