Частица, которая может объяснить, почему вообще что-либо существует
Ученые ЦЕРН сделали важное открытие. Оно приближает нас к пониманию загадки: почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии**? Анализ данных Большого адронного коллайдера (БАК) выявил асимметрию. Она касается частицы, известной как прелестный лямбда-барион, и ее античастицы. Этот результат углубляет наше понимание фундаментальных различий между материей и ее зеркальным отражением.
Загадка Вселенной
Согласно теории Большого взрыва, в самом начале Вселенной возникло равное количество материи и антиматерии. При встрече частица и античастица аннигилируют. Они превращаются в чистую энергию. **Потому** вся материя и антиматерия должны были уничтожить друг друга вскоре после Большого взрыва. В итоге остался бы лишь океан энергии.
Но мы видим Вселенную, полную звезд, планет и галактик. Все они состоят из материи. Это означает, что должен существовать некий фундаментальный дисбаланс. Он нарушил идеальную симметрию между материей и антиматерией на заре времен.
Физики связывают этот дисбаланс с явлением, называемым нарушением CP-симметрии (Charge-Parity violation). Эта симметрия предполагает, что законы физики должны быть одинаковыми, если частицу заменить на ее античастицу (C-симметрия) и одновременно отразить ее пространственные координаты зеркально (P-симметрия). Если CP-симметрия нарушается, материя и антиматерия могут вести себя немного по-разному.
Стандартная модель физики частиц, наша лучшая теория фундаментальных частиц и сил, предсказывает некоторое CP-нарушение. **Однако** известные механизмы CP-нарушения в рамках Стандартной модели недостаточны. Их не хватает, чтобы объяснить наблюдаемое огромное преобладание материи во Вселенной. **Поэтому** ученые ищут новые источники CP-нарушения.
В поисках ответов на БАК
Эксперимент LHCb (Large Hadron Collider beauty) в ЦЕРН специально разработан для изучения таких явлений. Он фокусируется на частицах, содержащих так называемые прелестные (beauty, b) и очарованные (charm, c) кварки. Это тяжелые элементарные частицы. Их свойства могут пролить свет на тонкие различия между материей и антиматерией.
Недавно коллаборация LHCb проанализировала данные, собранные во время второго этапа работы БАК (Run 2) с 2015 по 2018 год. Ученые сосредоточились на изучении прелестного лямбда-бариона (Λb⁰). Это частица, состоящая из верхнего (up), нижнего (down) и прелестного (beauty) кварков. Она примерно в шесть раз тяжелее протона. Исследователи сравнивали распады Λb⁰ с распадами его античастицы, анти-Λb⁰.
Обнаружение асимметрии
Команда LHCb изучала конкретный тип распада: Λb⁰ распадался на протон (p), отрицательный пион (π⁻), положительный пион (π⁺) и еще один отрицательный пион (π⁻). Параллельно изучался зеркальный распад анти-Λb⁰ на антипротон и три пиона соответствующего заряда.
Сравнивая угловые распределения продуктов распада Λb⁰ и анти-Λb⁰, ученые измерили четыре параметра, характеризующие CP-нарушение в этом процессе. Теоретически, если бы CP-симметрия сохранялась, все эти параметры были бы равны нулю.
Результаты анализа показали, что три из четырех CP-параметров значительно отличаются от нуля. Это является прямым доказательством нарушения CP-симметрии в распадах прелестного лямбда-бариона. Четвертый параметр оказался совместим с нулевым значением в пределах погрешности измерений.
Важный шаг, но не финал
Это наблюдение имеет большое значение. Это первый случай, когда CP-нарушение было обнаружено в распаде бариона, содержащего странный кварк (через промежуточные состояния распада). Барионы – это класс составных частиц, к которым относятся протоны и нейтроны, составляющие большую часть видимой материи. Ранее CP-нарушение наблюдалось в основном в распадах мезонов (частиц, состоящих из кварка и антикварка).
Новое открытие подтверждает, что асимметрия между материей и **антиматерией** – это реальное явление, проявляющееся в разных типах частиц. Оно предоставляет ценные данные для проверки и уточнения теоретических моделей.
**Однако** само по себе это открытие не решает полностью загадку преобладания материи. Наблюдаемая асимметрия в распадах Λb⁰, как и другие известные случаи CP-нарушения, все еще кажется недостаточной для объяснения того, почему Вселенная выглядит так, как мы ее видим. Это важный фрагмент головоломки, но не вся картина.
Что дальше?
Исследования на Большом адронном коллайдере продолжаются. Третий этап сбора данных (Run 3), начавшийся в 2022 году, позволит накопить еще большую статистику. Это повысит точность измерений и, возможно, выявит новые, еще более тонкие эффекты. Физики надеются найти указания на “Новую физику” – явления, выходящие за рамки Стандартной модели. Именно там может скрываться ключ к полной разгадке тайны **антиматерии**.
Вглядываясь в тайну бытия
Наблюдение CP-нарушения в распадах прелестного лямбда-бариона – это значительный успех экспериментальной физики частиц. Он подтверждает сложность и неочевидность законов микромира. Каждый такой результат приближает нас к ответу на один из самых фундаментальных вопросов: почему существует наша Вселенная, состоящая из материи? И куда исчезла почти вся **антиматерия**? Понимание этих процессов критически важно для построения полной картины эволюции Вселенной с первых мгновений после Большого взрыва.