Ученые-ядерщики получили новый ключ к пониманию фундаментальной разницы между материей и антиматерией

Ученые, работающие на Большом адронном коллайдере, выявили едва уловимую разницу в поведении материи и антиматерии. Открытие способно объяснить небольшой перевес количества материи над антиматерией в первые моменты после Большого взрыва, в результате чего Вселенная стала такой, какой мы наблюдаем ее сегодня.

Антивещество вместо пива

Эксперимент ALPHA, прославившийся умением поймать антиматерию в «ловушку», а еще раньше – самим фактом получения атомов... →

Ученые-ядерщики получили новый ключ к пониманию фундаментальной разницы между материей и антиматерией, частицы которой по физическим свойствам являются зеркальной противоположностью обычных частиц. Возможно, это приведет к пониманию, почему при рождении Вселенной равновесие между материей и антиматерией слегка качнулось в сторону первой и мир не оказался наполненным одними лишь фотонами, образованными в результате аннигиляции вещества и антивещества.

Антиматерия — это своеобразное «отражение» материи. Позитрон подобен электрону, только имеет положительный заряд, антипротон подобен протону, но заряжен отрицательно. Когда антиматерия встречается с материей, обе исчезают — аннигилируют (в эквивалентном количестве), и выделяется большое количество энергии в виде излучения (фотонов). Античастицы «ловят» на орбите (этим занимается итальянский эксперимент PAMELA на борту российского спутника ДЗЗ «Ресурс-ДК», а также детектор AMS-02 на борту МКС), а также на специальной установке ALPHA, также расположенной в CERN. Судя по тому (немногому), что мы знаем о материи и антиматерии, они должны быть эквивалентны, но во время Большого взрыва родилось совершенно одинаковое количество материи и антиматерии, и, будь они совсем-совсем похожи, они бы полностью аннигилировали — и наш мир бы не существовал. Между ними должна быть какая-то разница (более подробно об антиматерии можно прочитать в лекции одного из коллабораторов CERN Андрея Крохотина на «Газете.Ru»).

Нынешнее открытие было сделано в ходе эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере в CERN путем изучения распада нейтральных B_s-мезонов, которые в большом количестве рождаются при столкновении высокоэнергичных протонов на ускорителе. Поиск фундаментальных отличий в свойствах материи и антиматерии или нарушения так называемой CP-инвариантности или комбинированной четности устанавливается именно в таких экспериментах. О предварительных результатах этого эксперимента по определению разницы между веществом и антивеществом во Вселенной «Газета.Ru» рассказывала в 2011 году.

Впервые такое нарушение было обнаружено при распаде нейтральных каонов в 1964 году, за что была присуждена Нобелевская премия.

Сорок лет спустя этот феномен был обнаружен при распаде B⁰ — мезонов и позднее — у заряженных B⁺- мезонов.

Анти­ве­щест­вен­ные доказательства

О том, зачем создан Большой адронный коллайдер, какую пользу он может принести человечеству, рассказывает физик, участник одного из экспериментов БАК... →

В статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters, коллаборация LHCb сообщает об открытии нарушения CP-инвариантности еще у одной частицы – B⁰_s – мезона. Эта частица состоит из одного «прелестного» и одного «странного» кварка (всего кварки могут относиться к шести типам: «нижний», «верхний», «странный», «очарованный», «прелестный», «истинный»). В эксперименте LHCb ученые следят за распадами тяжелых B-мезонов и анти-B-мезонов на долгоживущие и более легкие частицы, причем нарушение CP-инвариантности заключается в том, что эти распады происходят несимметрично.

Оказывается, что вероятности этих распадов для материи и антиматерии разные.

Причем разница эта настолько мала, что для получения достоверного результата ученым приходится накапливать большую статистику, анализируя распады миллионов B-мезонов. «Обнаружение асимметрии в поведении частиц B⁰_s с достоверностью 5 сигма (при такой достоверности на 3,5 млн положительных событий приходится лишь одно отрицательное, такое значение достоверности общепринято в тех разделах физики и математики, где изучаются вероятностные события) стало возможным благодаря огромному объему данных, полученных на коллайдере, и благодаря способностям нашего детектора идентифицировать частицы», — заявил Пьерлуиджи Кампана, представитель международного эксперимента.

«Другие эксперименты были не в состоянии собирать достаточно данных о распадах этих мезонов», — добавил он. Эта частица стала четвертым источником информации о нарушении CP-инвариантности в элементарных частицах.

В 1967 году академик Андрей Сахаров показал, что этот феномен был необходимым условием для почти полного уничтожения антивещества после сразу после рождения Вселенной.

«Условия сформулировал Сахаров»

Российский ученый Андрей Голутвин, возглавляющий один из четырех самых крупных экспериментов на Большом адроном коллайдере, рассказал корреспонденту... →

Однако наблюдаемая разница в поведении материи и антиматерии пока настолько мала, что ее не хватает для того, чтобы описать наблюдаемое во Вселенной преобладание обычного вещества.

Все открытые факты нарушения инвариантности лежат в рамках Стандартной модели (эта теоретическая модель в физике элементарных частиц, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, но не описывает темную материю, темную энергию и гравитацию). «Мы также знаем, что все эффекты, предсказанные Стандартной моделью, слишком малы, чтобы объяснить доминирование материи во Вселенной. Однако, изучая эффекты нарушения CP-инвариантности, мы ищем недостающие элементы пазла, которые станут крепкой проверкой теории и указанием на существование физики за пределами Стандартной модели», — считает Кампана.

Ученые связывают свои надежды с поиском нарушений CP-инвариантности в частицах нейтрино, однако у физиков пока нет идей, как реализовать такие эксперименты.