Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии?

Почему мы существуем? Это, пожалуй, самый глубокий вопрос, который может показаться совершенно выходящим за рамки физики элементарных частиц. Но наш новый эксперимент на Большом адронном коллайдере ЦЕРН приблизил нас к ответу. Чтобы понять, почему мы существуем, нужно сперва отправиться на 13,8 миллиардов лет назад, во времени Большого Взрыва. Это событие произвело равное количество вещества, из которого мы состоим, и антивещества.

Считается, что каждая частица имеет партнера из антиматерии, который практически идентичен ей, однако обладает противоположным зарядом. Когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют — исчезают во вспышке света.

Где все антивещество?

Почему Вселенная, которую мы видим, состоит целиком из материи, это одна из величайших загадок современной физики. Если когда-то было равное количество антивещества, все во Вселенной аннигилировало бы. И вот, недавно опубликованное исследование, похоже нашло новый источник асимметрии между материей и антиматерии.

Об антиматерии первым заговорил Артур Шустер в 1896 году, затем в 1928 году Поль Дирак привел ей теоретическое обоснование, а в 1932 году Карл Андерсон обнаружил ее в форме антиэлектронов, которые получили название позитронов. Позитроны рождаются в естественных радиоактивных процессах, например, распада калия-40. Это означает, что обычный банан (содержащий калий) испускает позитрон каждые 75 минут. Затем он аннигилирует с электронами в материи, производя свет. Медицинские приложения вроде сканеров PET также производят антиматерию в аналогичном процессе.

Основными строительными блоками вещества, из которого состоят атомы, являются элементарные частиц — кварки и лептоны. Существует шесть видов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и красивый. Точно так же, существует шесть лептонов: электрон, мюон, тау и три вида нейтрино. Есть также антиматериальные копии этих двенадцати частиц, которые отличаются только своим зарядом.

Частицы антивещества в принципе должны быть идеальным зеркальным отражением своих обычных спутников. Но эксперименты показывают, что это не всегда так. Возьмем, к примеру, частицы, известные как мезоны, которые состоят из одного кварка и одного антикварка. Нейтральные мезоны имеют удивительную особенность: они могут самопроизвольно превращаться в свой анти-мезон и наоборот. В этом процессе кварк превращается в антикварк или антикварк превращается в кварк. Однако эксперименты показали, что это может происходить чаще в одном направлении, чем в другом — в результате чего материи становится больше со временем, чем антиматерии.

Третий раз — волшебный

Среди частиц, содержащих кварки, такие асимметрии обнаружены только у странных и красивых кварков — и эти открытия стали чрезвычайно важными. Самое первое наблюдение асимметрии с участием странных частиц в 1964 году позволило теоретикам предсказать существование шести кварков — в то время, когда было известно, что существует только три. Открытие асимметрии у красивых частиц в 2001 году стало окончательным подтверждением механизма, которое привело к картине с шестью кварками. Оба открытия принесли Нобелевские премии.

И странный, и красивый кварки переносят отрицательный электрический заряд. Единственный положительно заряженный кварк, который в теории должен быть способен образовывать частицы, которые могут проявлять асимметрию вещества и антивещества — это очарованный. Теория предполагает, что он это делает, его эффект должен быть незначительным и трудно находимым.

Но эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере смог наблюдать такую асимметрию в частицах, называемых D-мезонами, которые состоят из очарованных кварков — впервые. Это стало возможным благодаря беспрецедентному количеству очарованных частиц, произведенными непосредственно в столкновениях на БАК. Результат показывает, что вероятность того, что это статистическая флуктуация, составляет 50 на миллиард.

Если эта асимметрия рождается не из того же самого механизма, который приводит к асимметриям странного и красивого кварков, остается пространство для новых источников асимметрии материи-антиматерии, которые могут добавить к общей асимметрии таковых во Вселенной. И это важно, так как несколько известных случаев асимметрии не могут объяснить, почему во Вселенной так много материи. Одного открытия с очарованными кварками будет недостаточно, чтобы заполнить этот проблем, но это важная часть головоломки в понимании взаимодействия фундаментальных частиц.

Следующие шаги

За этим открытием последует рост количества теоретических работ, которые помогают в интерпретации результата. Но что еще более важно, она наметит дальнейшие тесты для углубления понимания нашего открытия — и некоторые из этих тестов уже проводятся.

В предстоящее десятилетие модернизированный эксперимент LHCb повысит чувствительность таких измерений. Он будет дополнен экспериментом Belle II в Японии, который только начинает работать.

Антиматерия также лежит в основе ряда других экспериментов. Целые антиатомы производятся на Антипротонном замедлителе ЦЕРН, и они обеспечивают целый ряд экспериментов по проведению высокоточных измерений. Эксперимент AMS-2 на борту Международной космической станции находится в поисках антиматерии космического происхождения. Ряд текущих и будущих экспериментов будет посвящен вопросу о том, существует ли асимметрия вещества-антивещества среди нейтрино.

Хотя мы до сих пор не можем полностью разгадать тайну асимметрии материи и антиматерии, наше последнее открытие открыло дверь в эпоху точных измерений, которые могут раскрыть еще неизвестные явления. Есть все основания полагать, что однажды физики смогут объяснить, почему мы вообще здесь.