Крупнейший ускоритель частиц фиксирует мимолетный дисбаланс между материей и антиматерией.

Крупнейший ускоритель частиц на Земле, Большой адронный коллайдер ( БАК ) в Швейцарии, впервые обнаружил асимметрию между материей и антиматерией, которая имеет основополагающее значение для существования Вселенной и может выявить явления, выходящие за рамки известной физики.

Эксперимент LHCb обнаружил этот дисбаланс в барионах – частицах, состоящих из трёх кварков, подобно нейтронам и протонам, которые образуют ядра атомов. Живые существа, планеты, звёзды и галактики состоят из этого типа материи, на долю которой приходится 5% Вселенной. Это открытие имеет решающее значение для проверки корректности современных физических теорий и может проложить путь к пониманию оставшихся 95% космоса.

Эксперимент LHCb изучает распад элементарных частиц, образующихся при столкновении протонов, движущихся почти со скоростью света внутри LHC. Несмотря на непревзойденную мощность этого ускорителя, потребовалось накопление данных с 2011 года — около 80 000 распадов барионов — чтобы впервые зафиксировать небольшой дисбаланс в пользу материи. Наблюдаемая асимметрия составляет в среднем 2,45%, но иногда превышает 5%. Результаты этого эксперимента, в котором приняли участие 1600 учёных из 22 стран, опубликованы сегодня в журнале. Природа – эталон лучшей науки в мире.

34-летняя Мария Виейтес , физик из Галисии, является заместителем координатора по физике в LHCb. «Наша Вселенная состоит из материи, и Стандартная модель не даёт полного объяснения, почему это так», — объясняет она, ссылаясь на современную теорию, описывающую физику элементарных частиц. Проблема в том, что эта модель не описывает ни тёмную материю , составляющую примерно 27% Вселенной, ни тёмную энергию, на которую приходится 68% .

«Нам нужны новые источники дисбаланса между материей и антиматерией, и с помощью этого исследования мы наблюдаем эти различия в новой области, а именно в типе обычной материи, более похожей на ту, что составляет атомные ядра», — подчеркивает исследователь из Галисийского института физики высоких энергий . «Эти результаты потребовали большой работы, поскольку мы говорим об очень, очень редких процессах», — добавляет она. Коллабораторы LHCb проанализировали триллионы столкновений между протонами и изолировали распады лямбда b-барионов, которые являются перспективными частицами для этих измерений, объясняет Вьейтес. «На данный момент данные, вероятно, совместимы со Стандартной моделью», — признает ученый, «но в конечном счете мы знаем, что она неполна и в какой-то момент должна потерпеть неудачу».

Физики, изучающие элементарные частицы, склонны верить, что природа соблюдает симметрию, но если бы это было так, Вселенной бы не существовало. Теория Большого взрыва утверждает, что Вселенная возникла 13,7 миллиарда лет назад из одинакового количества материи и антиматерии. Эти частицы симметричны, как реальный объект и его зеркальное отражение, но имеют противоположные заряды, поэтому они должны были распасться в мощной вспышке света. Однако современный космос почти полностью состоит из барионной материи, из которой состоят атомы, и практически не содержит антиматерии.

Первое прямое доказательство асимметрии было обнаружено в 1964 году, в разгар холодной войны, в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, крупнейшем на тот момент ускорителе частиц. Установка была построена для исследований физики элементарных частиц после огромных инвестиций в Манхэттенский проект , кульминацией которого стала ядерная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки. В тот раз асимметрия была обнаружена в частице, известной как мезон, состоящей из кварка и антикварка.

Три года спустя российский физик Андрей Сахаров , который разработал самые мощные атомные бомбы, когда-либо взорванные на Земле для Советского Союза, и позже получил Нобелевскую премию мира за предупреждение об ужасном потенциале такого оружия, разработал ключевую теорию. Он считал, что именно асимметрия барионов ответственна за рождение Вселенной, полной материи. Его предположение подразумевало, что через доли секунды после Большого взрыва между материей и антиматерией произошло явление, известное как нарушение симметрии зарядовой четности. На каждый миллиард частиц антиматерии придется один миллиард и одна частица материи. Из этого крошечного дисбаланса возникла бы вся наблюдаемая Вселенная, в которой материя доминировала бы над своей противоположностью. С тех пор, как Сахаров сделал это предсказание почти 60 лет назад, оно никогда не было подтверждено.

«Это явление впервые обнаружено в этих частицах, и поэтому оно важно», — рассуждает физик-теоретик Хуан Антонио Агилар . «Теоретически возможно, что наблюдаемое нами явление — это новая физика [явления, выходящие за рамки Стандартной модели], но пока это невозможно доказать из-за слишком высокой сложности расчётов», — добавляет исследователь из Института теоретической физики (UAM-CSIC) в Мадриде.

Расхождение между материей и антиматерией, предсказываемое Стандартной моделью, намного меньше наблюдаемого во Вселенной. Это подразумевает, что должно быть больше источников асимметрии. Одним из возможных механизмов является существование неизвестных частиц, которые увеличивают преобладание материи над антиматерией. Среди этих частиц может быть темная материя. Движение звезд и галактик во Вселенной недвусмысленно продемонстрировало существование этой субстанции благодаря ее гравитационному притяжению. Однако частицы, из которых она состоит, никогда не рождались, возможно, из-за ее слабого взаимодействия с обычной материей. Поиск темной материи является главной целью LHC , который вскоре начнет фазу модернизации для увеличения числа столкновений протонов, что в конечном итоге может привести к открытию неизвестных частиц.