Наука

Чому у Всесвіті більше матерії, ніж антиматерії?

Чому ми існуємо? Це, мабуть, найглибше питання, яке може здатися зовсім виходять за рамки фізики елементарних частинок. Але наш новий експеримент на Великому адронному колайдері ЦЕРН наблизив нас до відповіді. Щоб зрозуміти, чому ми існуємо, потрібно спершу відправитися на 13,8 мільярда років тому, під час Великого Вибуху. Ця подія спричинила появу рівної кількості речовини, з якої ми складаємося, і антиречовини.

Вважається, що кожна частинка має партнера з антиматерії, який практично ідентичний їй, проте володіє протилежним зарядом. Коли частка і її античастинка зустрічаються, вони анігілюють — зникають у спалаху світла.

Де вся антиречовина?

Чому Всесвіт, який ми бачимо, складається цілком з матерії, це одна з найбільших загадок сучасної фізики. Якщо колись була рівна кількість антиречовини, все у Всесвіті анігілювало би. І ось, нещодавно опубліковане дослідження, схоже знайшло нове джерело асиметрії між матерією і антиматерією.

Про антиматерію першим заговорив Артур Шустер в 1896 році, потім в 1928 році Поль Дірак привів їй теоретичне обґрунтування, а в 1932 році Карл Андерсон виявив її у формі антиелектронів, які отримали назву позитронів. Позитрони народжуються в природних радіоактивних процесах, наприклад, розпаду калію-40. Це означає, що звичайний банан, який містить калій, випромінює позитрон кожні 75 хвилин. Потім він анігілює з електронами матерії, виробляючи світло. Медичні програми на кшталт сканерів PET також виробляють антиматерію в аналогічному процесі.

Основними будівельними блоками речовини, з якої складаються атоми, є елементарні частинки — кварки і лептони. Існує шість видів кварків: верхній, нижній, дивний, зачарований, щирий і гарний. Так само існує шість лептонів: електрон, мюон, тау і три види нейтрино. Є також антиматеріальні копії цих дванадцяти частинок, які відрізняються тільки своїм зарядом.

Частинки антиречовини в принципі повинні бути ідеальним дзеркальним відображенням своїх звичайних супутників. Але експерименти показують, що це не завжди так. Візьмемо, наприклад, частинки, відомі як мезони, які складаються з одного кварка і одного антикварка. Нейтральні мезони мають дивну особливість: вони можуть спонтанно перетворюватися в свій антимезон і навпаки. У цьому процесі кварк перетворюється в антикварк або антикварк перетворюється в кварк. Проте експерименти показали, що це може відбуватися частіше в одному напрямку, ніж в іншому — в результаті чого матерії стає більше з часом, ніж антиматерії.

Третій раз — чарівний

Серед частинок, що містять кварки, такі асиметрії виявлені тільки в дивних і красивих кварків — і ці відкриття стали надзвичайно важливими. Найперше спостереження асиметрії з участю дивних частинок в 1964 році дозволило теоретикам передбачити існування шести кварків — у той час, коли було відомо, що існує тільки три. Відкриття асиметрії у красивих частинок в 2001 році стало остаточним підтвердженням механізму, яке призвело до картини з шістьма кварками. Обидва відкриття принесли Нобелівські премії.

І дивний, і красивий кварки переносять негативний електричний заряд. Єдиний позитивно заряджений кварк, який теоретично повинен бути здатний утворювати частинки, які можуть проявляти асиметрію речовини і антиречовини — це зачарований (charm). Теорія припускає, що він це робить, його ефект повинен бути незначним і важко знайденим.

Але експеримент LHCb на Великому адронному колайдері зміг спостерігати таку асиметрію в частинках, званих D-мезонами, які складаються з зачарованих кварків — вперше. Це стало можливим завдяки безпрецедентній кількості захоплених частинок, виробленими безпосередньо в зіткненнях на ВАК. Результат показує, що ймовірність того, що це статистична флуктуація, становить 50 на мільярд.

Якщо ця асиметрія народжується не з того ж самого механізму, який призводить до асиметрії дивного і красивого кварків, залишається простір для нових джерел асиметрії матерії-антиматерії, які можуть додати до загальної асиметрії таких у Всесвіті. І це важливо, оскільки кілька відомих випадків асиметрії не можуть пояснити, чому у Всесвіті так багато матерії. Одного відкриття з зачарованими кварками буде недостатньо, щоб заповнити цей пробіл, але це важлива частина головоломки в розумінні взаємодії фундаментальних частинок.

Наступні кроки

За цим відкриттям послідує зростання кількості теоретичних робіт, які допомагають в інтерпретації результату. Але що ще більш важливо, вона визначить подальші тести для поглиблення розуміння нашого відкриття — і деякі з цих тестів уже проводяться.

У майбутнє десятиліття модернізований експеримент LHCb підвищить чутливість таких вимірювань. Він буде доповнений експериментом Belle II в Японії, який тільки починає працювати.

Антиматерія також лежить в основі ряду інших експериментів. Цілі антиатоми виробляються на Антипротонному уповільнювачі ЦЕРН, і вони забезпечують цілий ряд експериментів з проведення високоточних вимірювань. Експеримент AMS-2 на борту Міжнародної космічної станції знаходиться в пошуках антиматерії космічного походження. Ряд поточних і майбутніх експериментів буде присвячені питанню про те, чи існує асиметрія речовини-антиречовини серед нейтрино.

Хоча ми досі не можемо повністю розгадати таємницю асиметрії матерії і антиматерії, наше останнє відкриття відкрило двері в епоху точних вимірювань, які можуть розкрити ще невідомі явища. Є всі підстави вважати, що одного разу фізики зможуть пояснити, чому ми взагалі тут.

Кнопка «Наверх»