Асиметрія матерії та антиматерії доведена

На CERN фізики довели асиметрію матерії та антиматерії, яку так довго шукали. Вони вперше зафіксували відмінність при розпаді так званих D0-мезонів та їхніх античастинок. Це вперше вдалося виявити CP-асиметрію в частинці, що містить чарівний кварк. Тож тепер відхилення в поведінці матерії та антиматерії відомі для трьох видів кварків.

Доказ асиметрії матерії-антиречовини: при розпаді D0-мезонів (праворуч) певні форми розпаду відбуваються частіше, ніж при розпаді анти-D0-мезонів. Зображення: CERN / LHCb.

Під час Великого вибуху виникла однакова кількість матерії та антиматерії, але в сучасному Всесвіті домінує матерія – чому? Фізики припускають, що причиною цього є крихітні відмінності між частинками та їхніми антиматеріальними відповідниками.

Але дотепер серед основних ознак не помічали жодного неузгодження: магнітна поведінка, питомий електричний заряд, реакція на сильну ядерну енергію та спектр збігаються.

Лише щодо одного фізикам пощастило: в питаннях CP-інваріантності. Вона означає, що античастинка, крім протилежного заряду та віддзеркаленого напряму, має поводитися достеменно так само, як і її «нормальний» відповідник.

У 1960-х роках вченні знайшли перший випадок порушення цього правила: досліджуючи K-мезон, частинку, що складається з дивного (s-кварк) і красивого (b-кварк) кварків. Проблема полягала в тому, що асиметрії лише в цій частинці недостатньо, щоб довести неврівноваженість матерії та антиматерії загалом.

Аби знайти нові свідчення, науковці в сфері елементарних частинок десятиліттями шукали інші випадки такої CP-асиметрії. Перші її докази виявили на Великому адронному колайдері 2017 року: при розпаді лямбда-b0-баріону та його античастинки.

Але нещодавно відбулося справжнє відкриття: фізики з колаборації LHCb, що працює на CERN, вперше виявили CP-асиметрію у D0-мезоні – частинці, що складається з чарівного та верхнього кварків. Учені зафіксували відхилення в схемі розпаду D0-мезону та його античастинки, і статистична значущість цього відхилення становить 5,3 сигми. «Це, вочевидь, переходить позначку 5 сигм, що у фізиці елементарних частинок є відправною точкою для констатації нового відкриття», – сказали вчені.

Так CР-антисиметрію підтвердили для третього виду кварків. Після дивного та красивого кварків асиметрію помітили і в чарівному. «Результат становить собою справжню віху в елементарній фізиці, – каже директор дослідження на CERN Екард Ельзен (Eckhard Elsen). – З моменту відкриття D0-мезону понад 40 років, тому фізики припускали, що в ньому існує CP-викривлення». Але цього нікому не вдавалося довести – дотепер.

Нову CP-асиметрію фізики виявили, аналізуючи дані LHCb-експерименту на Великому адронному колайдені (ВАК), що на CERN. При зіткненні протонів, що рухалися майже на швидкості світла, в цьому детекторі виникають короткочасні D⁰-мезони, що розпадаються на каони або піони. Згідно з теорією, між тим, як розпадається D⁰-мезон та анти-D⁰-мезон, мали б існувати крихітні відмінності.

Для свого дослідження науковці проаналізували дані про розпад, отримані під час двох циклів роботи ВАКу. «Значна кількість розпадів надала нам необхідної чутливості, щоб виявити крихітні компоненту цього СР-відхилення, – повідомив Джованні Пассавела (Giovanni Passaleva), речник LHCb-колаборації. – Аби визначити масштаби відхилення, ми в принципі виміряли та порівняли D⁰- та анти-D⁰-розпаду».

Відкриття CP-відхилення у D⁰-мезонах може допомогти розгадати велику таємницю асиметрії матерії-антиматерії. Адже виявлених дотепер СР-відхилень було недостатньо, щоб пояснити сучасний дисбаланс двох «дзеркальних світів», сказали фізики.

Після виявлення СР-асиметрії у чарівному кварку відкрилися нові ділянки для пошуку аналогічних явищ. Водночас наступні дослідження частинок, що складаються з чарівного кварка, мали б допомогти перевірити стандартну модель фізики – і, ймовірно, нарешті надати докази «нової» фізики, розповіли фізики на CERN. Все ж нововиявлена асиметрія вже погано вписується в межі стандартної моделі.

Типовий розпад при зіткненні в детекторі LHCb. Крім інших частинок, утворюються короткотривалі D0-мезони, які потім розпадаються. Зображення: CERN.