Цивилизация
Ученые-ядерщики получили новый ключ к пониманию фундаментальной разницы между материей и антиматерией, частицы которой по физическим свойствам являются зеркальной противоположностью обычных частиц. Возможно, это приведет к пониманию, почему при рождении Вселенной равновесие между материей и антиматерией слегка качнулось в сторону первой и мир не оказался наполненным одними лишь фотонами, образованными в результате аннигиляции вещества и антивещества.
Антиматерия — это своеобразное «отражение» материи. Позитрон подобен электрону, только имеет положительный заряд, антипротон подобен протону, но заряжен отрицательно. Когда антиматерия встречается с материей, обе исчезают — аннигилируют (в эквивалентном количестве), и выделяется большое количество энергии в виде излучения (фотонов). Античастицы «ловят» на орбите (этим занимается итальянский эксперимент PAMELA на борту российского спутника ДЗЗ «Ресурс-ДК», а также детектор AMS-02 на борту МКС), а также на специальной установке ALPHA, также расположенной в CERN. Судя по тому (немногому), что мы знаем о материи и антиматерии, они должны быть эквивалентны, но во время Большого взрыва родилось совершенно одинаковое количество материи и антиматерии, и, будь они совсем-совсем похожи, они бы полностью аннигилировали — и наш мир бы не существовал. Между ними должна быть какая-то разница (более подробно об антиматерии можно прочитать в лекции одного из коллабораторов CERN Андрея Крохотина на «Газете.Ru»).
Нынешнее открытие было сделано в ходе эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере в CERN путем изучения распада нейтральных Bs-мезонов, которые в большом количестве рождаются при столкновении высокоэнергичных протонов на ускорителе. Поиск фундаментальных отличий в свойствах материи и антиматерии или нарушения так называемой CP-инвариантности или комбинированной четности устанавливается именно в таких экспериментах. О предварительных результатах этого эксперимента по определению разницы между веществом и антивеществом во Вселенной «Газета.Ru» рассказывала в 2011 году.
Впервые такое нарушение было обнаружено при распаде нейтральных каонов в 1964 году, за что была присуждена Нобелевская премия.
Сорок лет спустя этот феномен был обнаружен при распаде B0 — мезонов и позднее — у заряженных B+- мезонов.
В статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters, коллаборация LHCb сообщает об открытии нарушения CP-инвариантности еще у одной частицы – B0s – мезона. Эта частица состоит из одного «прелестного» и одного «странного» кварка (всего кварки могут относиться к шести типам: «нижний», «верхний», «странный», «очарованный», «прелестный», «истинный»). В эксперименте LHCb ученые следят за распадами тяжелых B-мезонов и анти-B-мезонов на долгоживущие и более легкие частицы, причем нарушение CP-инвариантности заключается в том, что эти распады происходят несимметрично.
Оказывается, что вероятности этих распадов для материи и антиматерии разные.
Причем разница эта настолько мала, что для получения достоверного результата ученым приходится накапливать большую статистику, анализируя распады миллионов B-мезонов. «Обнаружение асимметрии в поведении частиц B0s с достоверностью 5 сигма (при такой достоверности на 3,5 млн положительных событий приходится лишь одно отрицательное, такое значение достоверности общепринято в тех разделах физики и математики, где изучаются вероятностные события) стало возможным благодаря огромному объему данных, полученных на коллайдере, и благодаря способностям нашего детектора идентифицировать частицы», — заявил Пьерлуиджи Кампана, представитель международного эксперимента.
«Другие эксперименты были не в состоянии собирать достаточно данных о распадах этих мезонов», — добавил он. Эта частица стала четвертым источником информации о нарушении CP-инвариантности в элементарных частицах.
В 1967 году академик Андрей Сахаров показал, что этот феномен был необходимым условием для почти полного уничтожения антивещества после сразу после рождения Вселенной.
Однако наблюдаемая разница в поведении материи и антиматерии пока настолько мала, что ее не хватает для того, чтобы описать наблюдаемое во Вселенной преобладание обычного вещества.
Все открытые факты нарушения инвариантности лежат в рамках Стандартной модели (эта теоретическая модель в физике элементарных частиц, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц, но не описывает темную материю, темную энергию и гравитацию). «Мы также знаем, что все эффекты, предсказанные Стандартной моделью, слишком малы, чтобы объяснить доминирование материи во Вселенной. Однако, изучая эффекты нарушения CP-инвариантности, мы ищем недостающие элементы пазла, которые станут крепкой проверкой теории и указанием на существование физики за пределами Стандартной модели», — считает Кампана.
Ученые связывают свои надежды с поиском нарушений CP-инвариантности в частицах нейтрино, однако у физиков пока нет идей, как реализовать такие эксперименты.