Доказана асимметрия материи и антиматерии

Впервые удалось обнаружить CP-асимметрию в частице, содержащей волшебный кварк. Поэтому теперь отклонения в поведении материи и антиматерии известны для трех видов кварков.

Во время Большого взрыва возникло равное количество материи и антиматерии, но в современном Вселенной доминирует материя — почему? Физики предполагают, что причиной этого есть крошечные различия между частицами и их антиматериальными соответствиями.

Но до сих пор среди основных признаков не замечали никакого несогласования: магнитная поведение, удельный электрический заряд, реакция на сильную ядерную энергию и спектр совпадают.

Доказательство асимметрии вещества-антивещества: при распаде D0-мезонов (справа) определенные формы распада происходят чаще, чем при распаде анти-D0-мезонов. (Изображения: CERN / LHCb)

Только по физикам повезло: в вопросах CP-инвариантности. Она означает, что античастица, кроме противоположного заряда и зеркально отраженного направления, должна вести себя точно так же, как и ее «нормальный» аналог.

В 1960-х годах ученые нашли первый случай нарушения этого правила: исследуя K-мезон, частицу, состоящую из странного (s-кварк) и красивого (b-кварк) кварков. Проблема заключалась в том, что асимметрии только в этой точке недостаточно, чтобы доказать неуравновешенность материи и антиматерии в целом.

Чтобы найти новые свидетельства, ученые в сфере элементарных частиц десятилетиями искали другие случаи такого CP-асимметрии. Первые ее доказательства обнаружили на Большом адронном коллайдере 2017 года: при распаде лямбда-b0-бариона и его античастинки.

Но недавно произошло настоящее открытие: физики коллаборации LHCb, работающей на CERN, впервые обнаружили CP-асимметрию в D0 — мезоне-частице, состоящей из волшебного и верхнего кварков. Ученые зафиксировали отклонения в схеме распада D0-мезона и его античастицы, и статистическая значимость этого отклонения составляет 5,3 Сигмы. «Это, очевидно, переходит отметку в 5 сигм, что в физике элементарных частиц является отправной точкой для констатации нового открытия», — сказали ученые.

Так СР-антисиметрию подтвердили для третьего вида кварков. После удивительного и красивого кварков асимметрию заметили и в волшебном. «Результат представляет собой настоящую веху в элементарной физике, — говорит директор исследования на CERN Экард Эльзен. — С момента открытия D0-мезону более 40 лет, поэтому физики предполагали, что в нем существует CP-искривление». Но этого никому не удавалось доказать — до сих пор.

Типичный распад при столкновении в детекторе LHCb. Кроме других частиц, образуются кратковременные D0-мезоны, которые затем распадаются. (Изображение: CERN)

Новую CP-асимметрию физики обнаружили, анализируя данные LHCb-эксперимента на Большом адронном колайдере (БАК) в CERN. При столкновении протонов, двигавшихся почти на скорости света, в этом детекторе возникают кратковременные D-мезоны, распадающиеся на каоны или пионы. Согласно теории, между тем, как распадается D-мезон и анти-D-мезон, должны были бы существовать крошечные различия.

Для своего исследования ученые проанализировали данные о распаде, полученные во время двух циклов работы БАК. «Значительное количество распадов предоставило нам необходимой чувствительности, чтобы выявить крошечные компонента этого СР-отклонения — сообщил Джованни Пассавела, представитель LHCb-коллаборации. — Чтобы определить масштабы отклонения, мы в принципе измерили и сравнили D-и анти-D-распада».

Открытие CP-отклонения в D-мезонах может помочь разгадать большую тайну асимметрии материи-антиматерии. Ведь обнаруженных до сих пор СР-отклонений было недостаточно, чтобы объяснить современный дисбаланс двух «зеркальных миров», сказали физики.

После обнаружения СР-асимметрии в волшебном кварку открылись новые участки для поиска аналогичных явлений. В то же время последующие исследования частиц, состоящих из волшебного кварка, должны были бы помочь проверить стандартную модель физики — и, вероятно, наконец предоставить доказательства «новой» физики, рассказали физики на CERN. Все же вновь найденная асимметрия уже плохо вписывается в рамки стандартной модели.