Почему Вселенная почти полностью состоит из материи? Этот вопрос является одной из величайших загадок современной космологии и на протяжении десятилетий озадачивает Стандартную модель физики, которая утверждает, что материя и антиматерия должны были быть созданы в равных количествах в результате Большого взрыва. Чтобы понять этот дисбаланс, ученые ЦЕРНа изучают фундаментальное явление: нарушение симметрии заряда-частицы (CP), которая управляет поведением материи и ее противоположностей. Благодаря эксперименту LHCb они впервые наблюдали это нарушение в барионах. Об этом сообщается в предварительной публикации на веб-сайте , открывая новый способ объяснения глубоких асимметрий нашей Вселенной.
CP-симметрия является одним из столпов физики элементарных частиц. Это результат сочетания двух фундаментальных преобразований.
Первый — зарядовое сопряжение (С), которое следует уравнению Дирака и преобразует частицу в ее античастицу, изменяя все ее заряды (электрический, слабый и цветовой). Таким образом, электрон превращается в позитрон.
Вторым является четность (P), которая действует как зеркало: она изменяет пространственные координаты частицы (слева направо), сохраняя при этом ее спин. Симметрия CP утверждает, что при одновременном применении этих двух операций законы физики остаются неизменными. Другими словами, физические явления и их КП-отражённые аналоги должны вести себя одинаково, не делая различий между материей и антиматерией.
Долгое время считалось, что эта симметрия нерушима, как и симметрии C и P, которые должны управлять фундаментальными взаимодействиями, такими как электромагнетизм и сильное взаимодействие. Однако эта точка зрения была поколеблена в 1956 году, когда китайско-американский физик Цзяньсюн У доказал, что слабое взаимодействие не подчиняется закону четности (P).
Обратите внимание: Новая военная техника позволит солдатам видеть в … полной темноте.
Это открытие поднимает важный вопрос: существует ли CP-симметрия?В 1964 году исследовательская работа группы под руководством Джеймса Кронина и Вэла Фитча дала ответ на этот вопрос. Изучая распад нейтральных К-мезонов, они обнаружили нарушения CP-симметрии: некоторые мезоны распадаются способами, несовместимыми с их законами сохранения. Открытие, удостоенное Нобелевской премии, выявило тонкую асимметрию между материей и антиматерией в слабых взаимодействиях.
Этот дисбаланс, хотя и хрупкий, может объяснить доминирование материи во Вселенной. Механизм этого нарушения включен в Стандартную модель через матрицу CKM (Кабиббо-Кобаяши-Маскавы), которая описывает переходы между кварками.
Однако степень нарушения CP-симметрии, предсказываемая этой моделью, все еще недостаточна для объяснения асимметрии, наблюдаемой в больших масштабах, что побуждает физиков искать новые источники нарушения CP-симметрии за пределами текущей теоретической структуры.
Нарушение CP в барионах
До сих пор нарушение CP-симметрии было обнаружено только в мезонах — частицах, состоящих из двух кварков. Барионы состоят из трех кварков, и хотя теоретики подозревают их существование, до сих пор об их существовании было мало что известно.
Существование некоторых кварков, таких как «нижние» кварки, участвующие в нарушении CP-симметрии в мезонах, позволяет предположить, что аналогичное поведение имеет место и в барионах, поскольку эти кварки также могут там существовать. Однако в настоящее время нет экспериментальных данных, подтверждающих это.
Теперь, благодаря высокоэнергетическим столкновениям на Большом адронном коллайдере (БАК), эксперимент LHCb наконец собрал достаточно данных, чтобы наблюдать это нарушение в барионах. Как заявил в пресс-релизе представитель эксперимента Винченцо Ваньони: «Наблюдение нарушения CP-симметрии в барионах заняло больше времени, чем в мюонах, по причинам, связанным с величиной эффекта и имеющимися данными».
Физики проанализировали данные, собранные детектором LHCb за два периода работы LHC (2009–2013 и 2015–2018), сосредоточив внимание на нестабильной частице под названием лямбда-барион (Λb), которая состоит из верхнего кварка, нижнего кварка и нижнего кварка. Они тщательно изучили его распад на протон, каон и два пиона (один положительно заряженный, один отрицательно заряженный) и сравнили эту картину с распадом его антиматерийного аналога, анти-Λb.
Результаты оказались однозначными: измеренная исследователями асимметрия совпала с прогнозируемым значением, основанным на симметрии CP, на 2,45%, с погрешностью всего 0,47%. Статистически этот показатель превышает порог обнаружения в пять стандартных отклонений.
К лучшему пониманию космоса
Хотя Стандартная модель учитывает нарушение CP-симметрии, наблюдавшиеся до сих пор эффекты (включая мюоны и барионы) все еще недостаточны для объяснения доминирования материи во Вселенной.
Это несоответствие предполагает существование силы или частицы, о существовании которой ранее не подозревали. Вот почему поиск новых форм нарушения CP-симметрии остается главным приоритетом в физике элементарных частиц для лучшего понимания этой научной загадки. «Чем больше систем, в которых нарушается CP, мы находим и чем точнее наши измерения, тем больше у нас инструментов для проверки Стандартной модели и исследования неизвестных областей физики за ее пределами», — пояснил Ваньони.
Он пришел к выводу: «Первое наблюдение нарушения CP-симметрии в барионном распаде открывает путь для новых теоретических и экспериментальных исследований природы этой асимметрии, потенциально устанавливая новые ограничения на физику за пределами Стандартной модели.
Читайте все последние новости астрофизики на New-Science.ruБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Почему Вселенная почти полностью состоит из материи.