CERN czyni postępy w zrozumieniu, dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii.

Modele kosmologiczne sugerują, że podczas Wielkiego Wybuchu powstały równe ilości materii i antymaterii , ale obecnie wydaje się, że to ta pierwsza dominuje we Wszechświecie. Nowe wyniki eksperymentów otwierają nowe możliwości zrozumienia tej nierównowagi.

Europejska Organizacja Badań Jądrowych (Cern) jest gospodarzem eksperymentu LHCb, który bada między innymi subtelne różnice między materią i antymaterią . W jej ramach opublikowano nowe badanie w czasopiśmie Nature .

W nowym wyniku tego eksperymentu, przeprowadzonego w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN w Szwajcarii, zaobserwowano asymetrię między materią a antymaterią. Nowością jest to, że zaobserwowano ją w przypadku pewnego rodzaju cząstek subatomowych zwanych barionami (neutrony i protony to bariony), które stanowią większość materii w obserwowalnym wszechświecie.

Współpraca LHCb, skupiająca ponad 1800 członków z instytucji z 24 krajów, przedstawia wyniki, które wyznaczają nowy etap w zrozumieniu subtelnych, lecz istotnych różnic między materią i antymaterią.

Jak wyjaśnia María Vieites, zastępca koordynatora ds. fizyki w LHCb, w rozmowie z EFE, w Wielkim Wybuchu materia i antymateria powstały w równych proporcjach, zgodnie z najszerzej akceptowaną teorią. W obu przypadkach równowaga nie pozwoliłaby na powstanie znanego nam wszechświata.

Model Standardowy Fizyki Cząstek przewiduje, że istnieją pewne różnice między materią a antymaterią, „bez których nie moglibyśmy wyjaśnić, dlaczego tu jesteśmy”. Pewna asymetria jest bardzo niewielka i „niewystarczająca, aby wyjaśnić ogromną dominację materii”.

Asymetria obserwowana obecnie w barionach jest przykładem efektu znanego jako naruszenie symetrii parzystości ładunku (CP). Odnosi się to do faktu, że zjawiska te zachodzą jednakowo, jeśli cząstki przekształcają się w odpowiadające im antycząstki. Uważa się, że brak równowagi między ilością materii i antymaterii wynika z różnic w zachowaniu obu, czyli naruszenia symetrii parzystości ładunku.

Efekt ten został już przewidziany przez Model Standardowy , a w latach 60. XX wieku zaobserwowano go w mezonach – rodzaju cząstek subatomowych, składających się z kwarka i antykwarka.

Natomiast w barionach, które składają się z trzech kwarków, zaobserwowano dotychczas jedynie śladowe oznaki tego zjawiska, jednak nie zostało ono potwierdzone eksperymentalnie.

Odkrycie to otwiera nowe możliwości wyjaśnienia układu cząstek elementarnych, z których składa się materia w Modelu Standardowym Fizyki Cząstek, a także zrozumienia, dlaczego po Wielkim Wybuchu materia najwyraźniej wzięła górę nad antymaterią.

Mimo że to naruszenie symetrii CP było spodziewane i samo w sobie nie rozwiązuje problemu nierównowagi między materią i antymaterią, to jednak eksperymentalne odkrycie jego szczegółów dostarcza ważnych wskazówek, otwierając możliwości nowych teoretycznych i eksperymentalnych badań nad jego naturą – twierdzą naukowcy.

Wyniki te mogą otworzyć drogę do poszukiwań fizyki wykraczającej poza Model Standardowy, który jak dotąd oferuje najpełniejsze ramy do wyjaśnienia wszechświata, jaki znamy, i jego podstawowych elementów .

„To bardzo efektywna teoria, ale wiemy, że jest niekompletna”, na przykład w przypadku materii i antymaterii – powiedział Vieites, autor badania i badacz z Galicyjskiego Instytutu Fizyki Wysokich Energii na Uniwersytecie w Santiago de Compostela.

Praca ta jest również ważna dla społeczności naukowej ze względu na możliwość pomiaru i analizy danych. Różnica między materią a antymaterią w barionach jest „tak mała, że wymaga pomiaru z ogromną precyzją; w tym tkwi sedno materii – możliwość przeprowadzenia tak precyzyjnej analizy ”.

Jak powiedział Vieites, badania przeprowadzono z wykorzystaniem milionów punktów danych zebranych w latach 2011–2018, z których ostatecznie wybrano około 80 000. Dodał, że LHCb, eksperyment wykorzystany w tym badaniu, to urządzenie o wymiarach 20 metrów długości, 6 metrów wysokości i 8 metrów szerokości, co odpowiada objętości dwupiętrowego budynku.