Одна из фундаментальных загадок мироздания заключается в том, почему наблюдаемая Вселенная состоит почти исключительно из материи. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, в момент Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии, которые впоследствии аннигилировали бы, оставив после себя лишь излучение. Однако этого не произошло — материя явно доминирует. Для объяснения этого дисбаланса учёные исследуют явление нарушения CP-симметрии, и недавний прорыв эксперимента LHCb в ЦЕРНе, впервые зафиксировавший это нарушение в барионах, открывает новые горизонты для космологии. Результаты исследования были представлены в предварительной публикации, предлагая свежий взгляд на асимметрию нашей Вселенной.
Что такое CP-симметрия и почему её нарушение так важно?
CP-симметрия — это комбинация двух фундаментальных операций в физике частиц. Первая — это зарядовое сопряжение (C), которое превращает частицу в её античастицу, меняя все её квантовые заряды (например, электрон становится позитроном). Вторая — чётность (P), действующая как зеркальное отражение, которое меняет пространственные координаты частицы на противоположные. Долгое время считалось, что законы физики остаются неизменными при одновременном применении обеих операций (CP-симметрия). Это означало бы, что мир, состоящий из антиматерии и являющийся нашим зеркальным отражением, должен был бы эволюционировать точно так же, как и наш, что не оставляло бы места для наблюдаемого перевеса материи.
Однако в середине XX века эта картина начала рушиться. В 1956 году физик Цзяньсюн У экспериментально доказала, что слабое ядерное взаимодействие нарушает симметрию чётности (P). Это открытие поставило под сомнение и комбинированную CP-симметрию. Решающий удар по её нерушимости был нанесён в 1964 году Джеймсом Кронином и Вэлом Фитчем, которые, изучая распады нейтральных K-мезонов, обнаружили первые свидетельства нарушения CP-симметрии. Это открытие, отмеченное Нобелевской премией, показало, что процессы с участием антиматерии могут протекать с иной вероятностью, чем их «зеркальные» аналоги с материей, создавая ту самую тонкую асимметрию, которая могла привести к космическому дисбалансу.
Обратите внимание: Новая военная техника позволит солдатам видеть в … полной темноте.
В Стандартную модель нарушение CP-симметрии встроено через так называемую матрицу Кабиббо — Кобаяси — Маскавы (CKM), которая описывает, как кварки одного типа могут превращаться в кварки другого типа. Проблема, однако, в том, что степень нарушения, предсказываемая этой моделью, слишком мала, чтобы объяснить колоссальный масштаб преобладания материи во Вселенной. Это явное несоответствие указывает на существование неизвестных физических процессов или частиц за пределами Стандартной модели.
Прорыв: нарушение CP-симметрии обнаружено в барионах
До недавнего времени нарушение CP-симметрии наблюдалось только в мезонах — частицах, состоящих из кварка и антикварка. Барионы, к которым относятся протоны и нейтроны (состоящие из трёх кварков), оставались «белым пятном» в этой области, хотя теоретики давно предполагали, что аналогичные эффекты должны в них проявляться.
Эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере наконец восполнил этот пробел. Учёные проанализировали огромный массив данных, собранных за два цикла работы коллайдера, сосредоточив внимание на распадах лямбда-бариона (Λ0b). Эта нестабильная частица, состоящая из верхнего, нижнего и ещё одного нижнего кварка, распадается на протон, каон и два пиона. Физики с высочайшей точностью сравнили картину распада Λ0b с распадом его античастицы — анти-лямбда-бариона.
Результат оказался статистически безупречным: измеренная асимметрия между процессами распада частицы и античастицы составила 2,45% с очень малой погрешностью. Этот показатель превышает порог в пять стандартных отклонений, что в физике частиц считается золотым стандартом для объявления об открытии. Как отметил представитель коллаборации LHCb Винченцо Ваньони, наблюдение этого эффекта в барионах заняло больше времени из-за меньшей величины эффекта и необходимости накопления достаточного объёма статистики.
Новые горизонты для физики и космологии
Хотя само по себе открытие нарушения CP-симметрии в барионах не решает загадку космического преобладания материи, оно является критически важным шагом вперёд. Оно предоставляет учёным новый, независимый инструмент для проверки Стандартной модели и поиска «новой физики».
«Чем больше систем, в которых мы обнаруживаем нарушение CP, и чем точнее наши измерения, тем больше у нас возможностей для проверки Стандартной модели и исследования неизвестных областей физики за её пределами», — пояснил Ваньони. Это открытие открывает путь для новых, более тонких теоретических расчётов и экспериментальных исследований. Оно позволяет накладывать более строгие ограничения на гипотетические частицы и взаимодействия, которые могут отвечать за ту дополнительную асимметрию, которой не хватает в современных теориях.
Таким образом, первое наблюдение нарушения CP-симметрии в распаде барионов — это не просто подтверждение теоретических ожиданий. Это открытие новой экспериментальной площадки, которая может привести нас к более глубокому пониманию фундаментальных законов, определивших саму структуру и состав нашей материальной Вселенной.
Читайте все последние новости астрофизики на New-Science.ru
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Почему Вселенная почти полностью состоит из материи.