Матерія та антиматерія мали б повністю знищити одна одну ще мільярди років тому, залишивши Всесвіт абсолютно порожнім.
Очевидно, що цього не сталося. Експерименти на Великому адронному колайдері (LHC) можуть допомогти розгадати цю загадку, вказуючи на несподівану різницю у розпадах частинок, відомих як баріони, та їх антиматерійних двійників.
Антиматерія повинна бути практично ідентичною звичайній матерії, за винятком того, що її античастинки мають протилежний заряд. Однак ця незначна відмінність має величезні наслідки – коли частинки матерії та антиматерії зустрічаються, вони знищують одна одну, вивільняючи чисту енергію.
Згідно з моделями, Великий вибух мав би створити однакову кількість матерії та антиматерії, що означало б їхнє повне знищення ще до того, як змогли б сформуватися зірки, планети та життя.
Проте щось змінило цей баланс, залишивши у Всесвіті трохи більше матерії, ніж антиматерії.
Фізики CERN проаналізували дані LHC і виявили переконливі докази того, що існують й інші відмінності в поведінці матерії та антиматерії, що сприяли цьому дисбалансу.
Порушення CP-симетрії та його вплив на Всесвіт
У теорії всі частинки повинні підкорятися так званій CP-симетрії (зарядово-просторовій симетрії). Це означає, що якщо перевернути заряди всіх частинок у Всесвіті та змінити їхні координати, фізичні закони залишаться незмінними.
Але виявилося, що деякі взаємодії порушують цю симетрію. У 1964 році вчені з’ясували, що частинки K2-мезони іноді розпадаються у спосіб, який не мав би бути можливим без порушення CP-симетрії. Це явище було надзвичайно рідкісним (лише 2 випадки на 1000 розпадів), проте воно змінило уявлення фізиків про фундаментальні закони Всесвіту.
Пізніше подібні порушення спостерігали й у інших частинках, але лише серед мезонів. Цього було недостатньо для пояснення нестачі антиматерії у Всесвіті. Досі такі порушення не виявлялися серед баріонів – іншого основного класу частинок, з яких складається більшість видимої матерії у Всесвіті.
Прорив у дослідженнях на LHC
Нові дослідження на Великому адронному колайдері вперше зафіксували порушення CP-симетрії серед баріонів. Учені досліджували частинки, відомі як лямбда-б баріони (Λb), та їх антиматеріальні аналоги.
Згідно з CP-симетрією, частинки Λb та анти-Λb мали б розпадатися з однаковою швидкістю. Але аналіз десятків тисяч розпадів, зафіксованих на LHC у період з 2009 по 2018 рік, показав відмінність у 2,45%. Це значення перевищує п’ять стандартних відхилень, що підтверджує порушення CP-симетрії.
«Нам знадобилося понад 80 000 розпадів баріонів, щоб вперше зафіксувати асиметрію матерії та антиматерії у цьому класі частинок», – зазначає Вінченцо Ваньоні, речник колаборації LHCb.
Цей прорив може вказати на існування нових фізичних сил і частинок, що допоможе розгадати таємницю, чому антиматерія не знищила весь Всесвіт.
«Чим більше систем, у яких ми спостерігаємо порушення CP-симетрії, і чим точніші наші вимірювання, тим більше шансів у нас перевірити Стандартну модель і знайти фізику за її межами», – додає Ваньоні.