Прорыв на БАКе раскрывает новую подсказку об исчезновении антиматерии

Анализируя годы данных о столкновениях на Большом адронном коллайдере (БАК), физики впервые наблюдали нарушение симметрии заряда и четности (CP-симметрии) при распаде барионных частиц, выявив различие в поведении материи и антиматерии. Поскольку барионы составляют основу материи во Вселенной, это открытие стало ключевым элементом в разгадке тайны преобладания материи над антиматерией после Большого взрыва.

Основное различие и фундаментальная загадка

Главное отличие материи и антиматерии заключается в противоположных зарядах составляющих их частиц. Хотя эта разница может показаться незначительной, она приводит к их взаимной аннигиляции при контакте. В ранней Вселенной, сразу после Большого взрыва, должны были образоваться равные количества материи и антиматерии. Но если бы это произошло, вся Вселенная — включая Млечный Путь и всё в нём — исчезла бы.

Возможное объяснение нашего существования заключается в том, что Большой взрыв «предпочел» материю антиматерии. Благодаря этому вся существующая сегодня материя избежала тотальной аннигиляции — загадка, которую физики пытаются разгадать десятилетиями.

Нарушение симметрии: ключ к разгадке

В упрощённой модели Вселенной изменение заряда и пространственного положения частицы не должно влиять на её поведение. Этот принцип, называемый CP-симметрией, долгое время считался столь же фундаментальным, как сохранение энергии. Однако в середине XX века в рамках Стандартной модели физики частиц было предсказано некоторое нарушение этой симметрии.

Недостающее звено

Однако этого нарушения недостаточно для объяснения доминирования материи. «Нарушение CP-симметрии — один из ключевых факторов для понимания асимметрии материи и антиматерии. Но физики считают, что масштабы этого нарушения в природе должны быть гораздо значительнее, чем предсказывает Стандартная модель», — поясняет Сюэтин Янг, физик из Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН).

Учёные предположили, что дополнительный источник нарушения CP-симметрии может скрываться в ещё неизвестной физике. В недавнем исследовании, опубликованном в Nature, Янг и её коллеги, возможно, обнаружили первые следы этого явления, впервые зафиксировав нарушение CP-симметрии при распаде барионных частиц.

«Чем больше систем с нарушением CP-симметрии мы находим и чем точнее измерения, тем лучше мы можем проверять Стандартную модель и искать физику за её пределами», — заявил Винченцо Ваньони, представитель коллаборации LHCb, в пресс-релизе ЦЕРНа. «Первое наблюдение нарушения CP-симметрии в барионном распаде открывает новые возможности для теоретических и экспериментальных исследований, потенциально указывая на новые ограничения для физики вне Стандартной модели», — добавил он.

Долгий путь к открытию

Впервые нарушение CP-симметрии было обнаружено в 1960-х годах у мезонов — частиц, состоящих из пары кварк-антикварк. С тех пор учёные пытались зафиксировать его у других частиц, особенно у барионов (состоящих из трёх кварков), но до сих пор прямых наблюдений не было.

«Задержка в обнаружении нарушения CP-симметрии у барионов по сравнению с мезонами связана с масштабом эффекта и объёмом данных», — объясняет Ваньони. «Нам потребовался коллайдер уровня БАКа, способный производить достаточное количество "прелестных" барионов [содержащих b-кварк] и их античастиц, а также детектор, способный точно идентифицировать продукты их распада».

Асимметрия в распаде

Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Однако при их распаде (например, в процессах радиоактивности) нарушение CP-симметрии приводит к различиям — например, в скорости распада или массе продуктов.

Команда Янга проанализировала более 80 000 распадов барионов, сосредоточившись на лямбда-b-барионе (Λb) — более массивном и нестабильном «родственнике» протонов и нейтронов, состоящем из u-кварка, d-кварка и b-кварка. Данные были собраны детектором LHCb в 2009–2013 и 2015–2018 годах.

Λb-частица распалась на протон, каон и пару пионов с противоположными зарядами, а анти-Λb — на их антиматериальные аналоги. Учёные обнаружили разницу в 2,5% между распадами Λb и анти-Λb.

«Это может показаться небольшим, но статистическая значимость результата высока», — подчёркивает Янг. «Мы видим, что Λb и анти-Λb распадаются по-разному, что подтверждает нарушение CP-симметрии у барионов».

Статистическая надёжность и пределы открытия

Нарушение достигло уровня 5,2 сигма, что превышает порог достоверности для объявления открытия (вероятность случайности — 1 на 10 миллионов). Однако этого всё ещё недостаточно для объяснения преобладания материи во Вселенной.

«Нарушение CP-симметрии в барионных распадах, как и в новом результате LHCb, согласуется со Стандартной моделью. Оно не решает загадку материи-антиматерии, но открывает новое направление для изучения CP-нарушения в барионном секторе», — заключает Янг.