Вчені ЦЕРНу вперше в історії зафіксували асиметрію в розпаді баріонів, що може стати ключем до розгадки фундаментальної таємниці дисбалансу між матерією та антиматерією у Всесвіті.
Відкриття, здійснене на Великому адронному колайдері поблизу Женеви у Швейцарії, вказало на особливості субатомної частинки “красивий лямбда-баріон” (?b). Експеримент LHCb виявив, що ця складна частинка розпадається зі швидкістю, відмінною від швидкості розпаду її антиматерійного двійника. Ця різниця спричинена явищем, відомим як порушення зарядової паритетності (ПЗ), що має ключове значення в космологічних теоріях. Відкриття може пояснити, чому матерія домінує над антиматерією в сучасному Всесвіті.
Складний шлях до важливого відкриття
Порушення зарядової паритетності вивчається фізиками вже кілька десятиліть, відколи його вперше виявили в 1960-х роках у мезонах – частинках, що складаються з кварка та антикварка. Очікувалося, що баріони, які містять три кварки, також демонструватимуть це явище, але підтвердження вимагало значних зусиль.
“Причина, чому порушення СР у баріонах спостерігалося довше, ніж у мезонах, полягає в розмірі ефекту і наявних даних”, – пояснює представник LHCb Вінченцо Ваньоні. “Нам потрібна була машина на кшталт ВАК, здатна виробляти достатньо велику кількість красивих баріонів та їхніх партнерів з антиматерії”.
Красивий лямбда-баріон складається з трьох кварків – верхнього, нижнього і красивого. Хоча частинки та їхні антиматерійні партнери зазвичай мають однакову масу і лише протилежні заряди, порушення СР спричиняє асиметрію в їхній поведінці під час розпаду.
Результати і значення відкриття
Дослідники проаналізували дані, зібрані детектором LHCb під час перших двох запусків колайдера з 2009 по 2018 рік. Вони відстежували випадки, коли частинка ?b розпадалася на протон, каон і два протилежно заряджені піони, порівнюючи ці процеси з розпадом антиматерійних частинок анти?b.
Результати аналізу показали 2,45-відсоткову різницю у швидкості розпаду між цими частинками. Виявлена асиметрія підтверджена з рівнем достовірності 5,2 сигма, що відповідає золотому стандарту наукових відкриттів. Для цього знадобилося проаналізувати понад 80 000 розпадів баріонів.
Хоча порушення СР у баріонах теоретично очікувалося, Стандартна модель фізики елементарних частинок дає надто неточні передбачення для порівняння з отриманими результатами. Парадоксально, але згідно з моделлю, кількість таких порушень занадто мала, щоб пояснити спостережувану асиметрію матерії-антиматерії у Всесвіті.
Перспективи дослідження нової фізики
Дослідники вважають, що результати вказують на можливі нові джерела порушення СР за межами Стандартної моделі. “Чим більше систем, в яких ми спостерігаємо порушення СР, і чим точніші вимірювання, тим більше у нас можливостей перевірити Стандартну модель і шукати фізику за її межами”, – зазначає Ваньоні.
Перше в історії спостереження порушення СР у баріонному розпаді відкриває шлях для подальших теоретичних і експериментальних досліджень. Воно потенційно надає нові обмеження для фізики за межами Стандартної моделі. Директор ЦЕРН з досліджень та обчислень Йоахім Мніх підкреслив науковий потенціал цього відкриття.
“Це ще раз підкреслює науковий потенціал ВАК і його експериментів, пропонуючи новий інструмент, за допомогою якого можна досліджувати асиметрію матерії-антиматерії у Всесвіті”, – підсумував Мніх.
Відкриття, зроблене в експерименті LHCb, не лише поглиблює наше розуміння фундаментальних взаємодій у світі елементарних частинок, але й наближає нас до відповіді на одне з найбільших питань сучасної фізики – чому після Великого вибуху майже 14 мільярдів років тому у Всесвіті залишилося більше матерії, ніж антиматерії.