Физики коллаборации LHCb сообщили о первом достоверном экспериментальном наблюдении CP-нарушения в распаде барионов — класса частиц, к которому относятся протоны и нейтроны. Речь идёт о лямбда-барионе с b-кварком, тяжёлой частице, в составе которой три кварка. Это открытие может оказаться ключом к одной из самых глубоких загадок физики — почему во Вселенной оказалось больше материи, чем антиматерии.
Согласно космологическим моделям, Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии. Эти частицы аннигилировали бы друг с другом, оставив после себя только излучение. Однако мы наблюдаем Вселенную, почти полностью состоящую из материи. Эта загадка известна как барионная асимметрия. Чтобы объяснить её, физики ищут механизмы нарушения CP-симметрии — фундаментального принципа, согласно которому поведение частиц и античастиц должно быть зеркально симметричным с учётом их электрических зарядов.
CP-нарушение уже надёжно зафиксировано в распадах мезонов — частиц, состоящих из кварка и антикварка. Но до сих пор не было убедительных доказательств того, что аналогичное поведение проявляют и барионы. Новый результат подтверждает, что это действительно так.
Для анализа команда использовала девять лет данных с детектора LHCb на Большом адронном коллайдере. Они проанализировали почти триллион распадов лямбда-барионов и их античастиц. В этих событиях лямбда-барион Λb0 распадается на протоны, каоны и пионы. Если CP-симметрия сохраняется, то вероятность такого распада у частицы и античастицы должна быть одинаковой. Однако исследователи обнаружили устойчивое, статистически значимое отличие — около 2,5% — между поведением частицы и античастицы. Уровень статистической достоверности достиг 5,8 сигма, что превышает общепринятый порог открытия.
Это наблюдение не решает проблему барионной асимметрии напрямую, но подтверждает: барионы способны нарушать CP-симметрию. А значит, они могут играть важную роль в истории, которая привела к появлению материи и — в конечном счёте — жизни.
«Речь идёт о небольшом фрагменте большой головоломки, — прокомментировал открытие физик-теоретик Шон Кэрролл, не участвовавший в работе. — Но каждый фрагмент важен. Это редкое и важное наблюдение явления, которого прежде не видели».
Ведущий автор исследования, Сюйэтин Ян, подчёркивает: «Это только начало. Чтобы объяснить, почему в нашей Вселенной больше материи, нужны дополнительные источники CP-нарушения — за пределами Стандартной модели». Именно такие эффекты учёные будут искать в новых экспериментах с помощью LHCb и других детекторов.