Нове відкриття проливає світло на одну з найбільших таємниць Всесвіту

Що дізналися вчені про поведінку антиматерії?

Питання дисбалансу матерії та антиматерії не дає спокою вченим уже багато років. Відповідно до космологічних моделей, Великий вибух мав би створити однакову кількість матерії та її дзеркального двійника. При зустрічі ці дві субстанції анігілюють, перетворюючись на чисту енергію. Якби все йшло за симетричним сценарієм, наш Всесвіт мав би зникнути в перші ж миті свого існування. Оскільки цього не сталося, повинен існувати якийсь невідомий фактор, що порушив баланс, створивши більше матерії, ніж антиматерії. Усе, що ми бачимо сьогодні, від галактик до піщинок, складається саме з цієї мізерної частки матерії, що вціліла, пише 24 Канал з посиланням на ScienceAlert.

Таким чином припускали два варіанти: або частина антиматерії, рівна кількості наявної сьогодні матерії, все ще десь ховається у Всесвіті, або антиматерії з самого початку було менше, і після анігіляції на початку часів вона вся зникла, залишивши лише надлишок матерії. Але тепер учені знайшли третій варіант. Виявляється, існує фундаментальна відмінність у тому, як фізика поводиться з матерією та антиматерією.

Саме явище цієї асиметрії вчені називають порушенням зарядово-парної симетрії або CP-порушенням. Нещодавно фізики з Європейської організації ядерних досліджень (CERN) зробили прорив у цьому питанні, про що розповіли в статті у журналі Nature. Під час експериментів на Великому адронному колайдері (ВАК) вони вперше експериментально підтвердили CP-порушення матерії та антиматерії в баріонах – фундаментальних частинках, з яких складається більша частина видимої матерії у Всесвіті, зокрема протони та нейтрони.

Це показує, що тонкі відмінності між матерією та антиматерією існують у ширшому діапазоні частинок, і свідчить, що фундаментальні закони фізики по-різному трактують баріони та антибаріони,
– каже вчена CERN і перша авторка дослідження Сюетін Ян.

"Асиметрія матерії та антиматерії у Всесвіті вимагає порушення CP-симетрії в баріонах, тому це відкриття є важливим кроком уперед у перевірці повноти нашої поточної теорії та у дослідженні того, чи може нова фізика ховатися в місцях, які ми раніше не розглядали достатньо уважно", – додала науковиця.

Раніше цей ефект спостерігали лише в іншому класі частинок, мезонах. Виявлення ж асиметрії у баріонах є значним кроком уперед. Для цього команда вчених проаналізувала близько 80 тисяч подій розпаду частинок, зафіксованих на ВАК у період з 2011 по 2018 рік. Дослідники зосередилися на так званих лямбда-b-баріонах (Λb) та їхніх протилежних аналогах серед античастинок, шукаючи будь-які ознаки відмінностей у способі їхнього розпаду.

Якби CP була симетричною, то як матеріальні, так і антиматеріальні форми частинок мали б розпадатися на однакові частинки з урахуванням дзеркального відображення. Але команда виявила, баріони та антибаріони розпадаються не зовсім однаково – відносна різниця склала 2,5%. Хоча це число може здатися малим, статистична значущість відкриття є достатньою і означає, що ймовірність випадкового результату – лише один до десяти мільйонів.

Це показує, що Λb і анти-Λb не розпадаються однаково, що свідчить про порушення CP-симетрії в баріонах,
– говорить Сюетін Ян.

Це відкриття має величезне значення для фізики. Це доводить, що тонкі відмінності між матерією та антиматерією існують у ширшому діапазоні частинок і відкриває нове вікно для вивчення CP-порушення в баріонному секторі, який досі був малодослідженим. Водночас спостережуваного ефекту все ще недостатньо, щоб повністю розв'язати загадку асиметрії Всесвіту. Це означає, що, ймовірно, існує "нова фізика" за межами Стандартної моделі, яка і приховує додаткові джерела CP-порушення.

Наприклад, існувала ймовірність, що антиматерія може відштовхуватися гравітацією, а не притягуватися, тобто падати вгору. Щоб перевірити цю гіпотезу, фізики з ЦЕРН раніше провели "випробування на падіння" і виявили, що антиматерія падає вниз, як і звичайна матерія. У цьому відношенні порушення CP не було.

Але нове відкриття показує, що щось все-таки змушує матерію та антиматерію розпадатися по-різному.