Почему Вселенная почти полностью состоит из материи? Этот вопрос, одна из величайших загадок современной космологии, уже несколько десятилетий не дает покоя стандартной модели физики, согласно которой материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах в момент Большого взрыва.
Чтобы понять этот дисбаланс, ученые ЦЕРН изучают фундаментальное явление: нарушение симметрии заряда-частицы (CP), которая управляет поведением материи и ее противоположности. Благодаря эксперименту LHCb они впервые наблюдали такое нарушение в барионах. Это открытие, о котором сообщается в предварительной публикации на сайте arXiv, открывает новый путь для объяснения глубокой асимметрии нашей Вселенной.
CP-симметрия является одним из столпов физики элементарных частиц. Она возникает в результате комбинации двух фундаментальных преобразований.
Первое — зарядовое сопряжение (C), вытекающее из уравнения Дирака, — превращает частицу в её античастицу, меняя все её заряды (электрический, слабый и цветовой). Таким образом, электрон превращается в позитрон.
Второе — это чётность (P), которая действует как зеркало: она меняет пространственные координаты частицы (левое становится правым), сохраняя при этом её спин. CP-симметрия постулирует, что законы физики остаются неизменными при одновременном применении этих двух операций. Другими словами, физическое явление и его CP-отражённый аналог должны вести себя одинаково, без различия между материей и антиматерией.
Долгое время эта симметрия считалась нерушимой, как и C- и P-симметрии, которые должны соблюдаться фундаментальными взаимодействиями, такими как электромагнетизм и сильное взаимодействие. Но это мнение было поколеблено в 1956 году, когда китайско-американский физик Чиен-Шиунг Ву продемонстрировал, что слабое взаимодействие нарушает четность (P). Это открытие поставило главный вопрос: существует ли CP-симметрия?
Ответ на него был получен в 1964 году благодаря работе Джеймса Кронина и Вэла Фитча в составе группы исследователей. Изучая распад нейтральных K-мезонов, они обнаружили нарушение CP-симметрии: некоторые мезоны распадались таким образом, что это было несовместимо с ее сохранением. Это открытие, отмеченное Нобелевской премией, продемонстрировало, что в природе существует тонкая асимметрия между материей и антиматерией в рамках слабых взаимодействий.
Этот дисбаланс, хотя и непрочный, может объяснить преобладание материи во Вселенной. Механизм этого нарушения был включен в Стандартную модель через матрицу CKM (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa), которая описывает переходы между кварками. Однако степень нарушения CP, предсказываемая моделью, все еще недостаточна для объяснения асимметрии, наблюдаемой на больших масштабах, что побуждает физиков искать новые источники нарушения CP, выходящие за рамки текущей теоретической базы.
До сих пор нарушение CP было обнаружено только в мезонах — частицах, состоящих из двух кварков. Барионы же, состоящие из трех кварков, до сих пор хранили молчание об этом явлении, хотя теоретики подозревали о его существовании.
Присутствие некоторых кварков, таких как «красивые» (или нижние) кварки, участвующие в нарушении CP в мезонах, предполагало аналогичное проявление в барионах, поскольку эти кварки могут присутствовать и там. Однако экспериментальных доказательств этого пока не было. Теперь, благодаря высокоэнергетическим столкновениям на Большом адронном коллайдере (БАК), эксперимент LHCb наконец собрал достаточно данных для наблюдения этого нарушения в барионах. Как отмечает в пресс-релизе Винченцо Ваньони, представитель эксперимента: «Причина, по которой наблюдение CP-нарушения в барионах заняло больше времени, чем в мезонах, связана с масштабом эффекта и имеющимися данными».
Физики проанализировали данные, собранные детектором LHCb за два периода работы БАК (2009-2013 и 2015-2018 гг.), сосредоточив внимание на нестабильной частице, называемой барионом Краса-Лямбда (Λb), состоящим из восходящего кварка, нисходящего кварка и нижнего кварка. Они тщательно изучили его распад на протон, каон и два пиона — один положительно заряженный, другой отрицательно - и сравнили эту картину с распадом его антивещественного аналога, анти-Λb.
Результаты оказались однозначными: исследователи измерили асимметрию в 2,45% по сравнению с предсказанием, основанным на CP-симметрии, с погрешностью всего в 0,47%. Статистически это измерение превышает порог открытия в пять стандартных отклонений.
Хотя Стандартная модель учитывает CP-нарушение, наблюдаемые до сих пор эффекты — как в мезонах, так и в барионах — остаются недостаточными для объяснения преобладания материи во Вселенной. Это несоответствие наводит на мысль о существовании пока еще не подозреваемых сил или частиц. Именно поэтому поиск новых форм CP-нарушения остается приоритетной задачей физики частиц, чтобы лучше понять эту научную загадку.
«Чем больше систем, в которых мы обнаружим нарушение CP, и чем точнее будут наши измерения, тем больше у нас будет инструментов для проверки Стандартной модели и исследования неизвестных земель физики за ее пределами», — объясняет Ваньони.
«Это первое в истории наблюдение CP-нарушения в барионном распаде открывает путь для новых теоретических и экспериментальных исследований природы этой асимметрии, возможно, предлагая новые ограничения на физику за пределами Стандартной модели», — заключает он.