Открытие, сделанное на Большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе, недалеко от Женевы, показало, что недолговечный двоюродный брат протонов и нейтронов, барион красоты-лямбда, распадается с иной скоростью, чем его аналог антиматерии.

Этот эффект, называемый нарушением зарядовой четности (CP), означает, что частицы с противоположным зарядом, такие как материя и аниматерия, ведут себя по-разному. Это важнейшее объяснение того, почему материя смогла преобладать над антиматерией в ранней Вселенной — без нее Вселенная была бы пустой пустотой.

Несмотря на то, что это ключевая причина, по которой мы здесь, объем нарушения CP, предсказанный Стандартной моделью физики частиц, слишком мал, чтобы объяснить обилие материи в нашей Вселенной.

Более того, ранее это нарушение было обнаружено только в частицах, состоящих из кварк-антикварковых пар, называемых мезонами. Оно не наблюдалось в барионах — трехкварковых частицах, таких как протоны и нейтроны, из которых состоит большая часть видимой материи Вселенной.

Это первое в своем роде обнаружение изменило ситуацию, потенциально открыв путь к поиску физики за пределами Стандартной модели. Исследователи представили свои результаты 24 марта на конференции Rencontres de Moriond в Ла-Туиле, Италия, и опубликовали не рецензируемое исследование на сервере препринтов arXiv.

«Причина, по которой для наблюдения CP-нарушения в барионах потребовалось больше времени, чем в мезонах, связана с размером эффекта и имеющимися данными», — заявил Винченцо Ваньони, представитель эксперимента Large Hadron Collider beauty (LHCb), в ходе которого было произведено обнаружение. «Потребовалось более 80 000 барионных распадов, чтобы мы впервые увидели асимметрию материи и антиматерии у этого класса частиц».

Бульон творения

Согласно стандартной модели космологии, после Большого взрыва молодой космос представлял собой бурлящий плазменный бульон из частиц материи и антиматерии, которые появлялись на свет и аннигилировали друг с другом при столкновении.

Согласно теории, материя и антиматерия внутри этого плазменного супа должны были полностью аннигилировать друг с другом. Но ученые полагают, что некий неизвестный дисбаланс — вероятно, нарушение CP в распадах с участием слабых ядерных сил — позволил произвести больше материи, чем антиматерии, избавив ее от самоуничтожения.

Чтобы найти нарушение CP в барионах, исследователи LHCb прочесали данные о бесчисленных взаимодействиях частиц (в которых протоны сталкиваются примерно 25 миллионов раз в секунду), произошедших в период с 2009 по 2018 год.

Они подсчитали распады бариона красоты-лямбды, отыскав характерные пути, проложенные продуктами его распада — протоном, каоном и парой противоположно заряженных пионов — наряду с распадами соответствующего аналога антиматерии.

Анализ показал, что разница между числами распадов барионов красоты-лямбды и антикрасоты-лямбды составляет 2,45% от нуля с погрешностью около 0,47%. Статистическая значимость этого показателя составила 5,2 сигмы, что соответствует пяти сигмам, которые физики используют в качестве «золотого стандарта», возвещающего о новом открытии.

По словам физиков, они будут искать еще больше нарушений CP, когда БАК снова заработает в 2030 году, и соберут дополнительные данные о ключевом механизме, который, вероятно, позволил нашей Вселенной существовать.

«Чем больше систем, в которых мы наблюдаем CP-нарушения, и чем точнее измерения, тем больше у нас возможностей для проверки Стандартной модели и поиска физики за ее пределами», — говорит Ваньони. «Первое в истории наблюдение CP-нарушения в барионном распаде прокладывает путь для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований природы CP-нарушения, потенциально предлагая новые ограничения для физики за пределами Стандартной модели».

Это открытие имеет далеко идущие последствия для нашего понимания Вселенной. Подтверждение CP-нарушения в барионах открывает новые возможности для исследования фундаментальных взаимодействий, формирующих мир вокруг нас. Ученые теперь смогут более тщательно изучать, как материя и антиматерия отличаются друг от друга, и искать другие источники CP-нарушения, которые не предсказаны Стандартной моделью.

Предстоящий перезапуск БАК в 2030 году сулит еще более захватывающие открытия. С увеличением количества данных и повышенной точностью, исследователи надеются выявить дополнительные примеры CP-нарушения и, возможно, даже обнаружить новые частицы или силы, которые не соответствуют существующим теориям. Эти усилия могут привести к революционному пониманию физики элементарных частиц и космологии.

Поиск нарушений CP – это не просто академическое любопытство. Понимание дисбаланса между материей и антиматерией – ключ к пониманию нашего собственного существования. Без этого небольшого, но решающего перевеса в пользу материи, Вселенная была бы лишена звезд, галактик и жизни.

Первое наблюдение CP-нарушения в барионном распаде знаменует собой значительный шаг вперед в нашем стремлении разгадать величайшие тайны Вселенной. Это отправная точка для дальнейших исследований, которые могут привести к пересмотру наших основных представлений о физике и космологии.