General

Чому у Всесвіті більше матерії, ніж антиматерії?

Чому ми існуємо? Це, мабуть, самий глибокий питання, який може здатися зовсім виходять за рамки фізики елементарних частинок. Але наш новий експеримент на Великому адронному колайдері ЦЕРН наблизив нас до відповіді. Щоб зрозуміти, чому ми існуємо, потрібно спершу відправитися на 13,8 мільярдів років тому, в часі Великого Вибуху. Це подія справила рівну кількість речовини, з якого ми складаємося, і антиречовини.

Вважається, що кожна частка має партнера зантиматерії, який практично ідентичний їй, проте володіє протилежним зарядом. Коли частка і її античастинка зустрічаються, вони анігілюють - зникають у спалаху світла.

Де все антиречовину?

Чому Всесвіт, яку ми бачимо, складаєтьсяцілком з матерії, це одна з найбільших загадок сучасної фізики. Якщо колись була рівна кількість антиречовини, все у Всесвіті анігілював б. І ось, нещодавно опубліковане дослідження, схоже знайшло нове джерело асиметрії між матерією і антиматерії.

Про антиматерії першим заговорив Артур Шустер в1896 році, потім в 1928 році Поль Дірак привів їй теоретичне обгрунтування, а в 1932 році Карл Андерсон виявив її в формі антиелектрона, які отримали назву позитронів. Позитрони народжуються в природних радіоактивних процесах, наприклад, розпаду калію-40. Це означає, що звичайний банан (містить калій) випускає позитрон кожні 75 хвилин. Потім він анігілює з електронами в матерії, виробляючи світло. Медичні програми на кшталт сканерів PET також виробляють антиматерію в аналогічному процесі.

Основними будівельними блоками речовини, зякого складаються атоми, є елементарні частинок - кварки і лептони. Існує шість видів кварків: верхній, нижній, дивний, зачарований, істинний і красивий. Точно так же, існує шість лептонів: електрон, мюон, тау і три види нейтрино. Є також антиматеріальна копії цих дванадцяти частинок, які відрізняються тільки своїм зарядом.

Частинки антиречовини в принципі повинні бутиідеальним дзеркальним відображенням своїх звичайних супутників. Але експерименти показують, що це не завжди так. Візьмемо, наприклад, частинки, відомі як мезони, які складаються з одного кварка і одного антікварка. Нейтральні мезони мають дивну особливість: вони можуть мимовільно перетворюватися в свій анти-мезон і навпаки. У цьому процесі кварк перетворюється в антікварк або антікварк перетворюється в кварк. Однак експерименти показали, що це може відбуватися частіше в одному напрямку, ніж в іншому - в результаті чого матерії стає більше з часом, ніж антиматерії.

Третій раз - чарівний

Серед частинок, що містять кварки, такі асиметріївиявлені тільки у дивних і красивих кварків - і ці відкриття стали надзвичайно важливими. Найперше спостереження асиметрії за участю дивних частинок в 1964 році дозволило теоретикам передбачити існування шести кварків - в той час, коли було відомо, що існує тільки три. Відкриття асиметрії у красивих частинок в 2001 році стало остаточним підтвердженням механізму, яке призвело до картини з шістьма кварками. Обидва відкриття принесли Нобелівські премії.

І дивний, і красивий кварки переносятьнегативний електричний заряд. Єдиний позитивно заряджений кварк, який в теорії повинен бути здатний утворювати частинки, які можуть проявляти асиметрію речовини і антиречовини - це зачарований. Теорія передбачає, що він це робить, його ефект повинен бути незначним і важко знаходять.

Але експеримент LHCb на Великому адронномуколайдері зміг спостерігати таку асиметрію в частинках, званих D-мезонами, які складаються з зачарованих кварків - вперше. Це стало можливим завдяки безпрецедентному кількості зачарованих часток, зробленими безпосередньо в зіткненнях на БАК. Результат показує, що ймовірність того, що це статистична флуктуація, становить 50 на мільярд.

Якщо ця асиметрія народжується не з того жсамого механізму, який призводить до асиметрії дивного і красивого кварків, залишається простір для нових джерел асиметрії матерії-антиматерії, які можуть додати до загальної асиметрії таких у Всесвіті. І це важливо, тому що кілька відомих випадків асиметрії не можуть пояснити, чому у Всесвіті так багато матерії. Одного відкриття з зачарованими кварками буде недостатньо, щоб заповнити цей проблем, але це важлива частина головоломки в розумінні взаємодії фундаментальних частинок.

наступні кроки

За цим відкриттям почнеться зростання кількостітеоретичних робіт, які допомагають в інтерпретації результату. Але що ще більш важливо, вона намітить подальші тести для поглиблення розуміння нашого відкриття - і деякі з цих тестів уже проводяться.

У майбутньому десятилітті модернізований експеримент LHCb підвищить чутливість таких вимірювань. Він буде доповнений експериментом Belle II в Японії, який тільки починає працювати.

Антиматерія також лежить в основі ряду іншихекспериментів. Цілі антиатоми виробляються на антипротонів сповільнювачі ЦЕРН, і вони забезпечують цілий ряд експериментів з проведення високоточних вимірювань. Експеримент AMS-2 на борту Міжнародної космічної станції знаходиться в пошуках антиматерії космічного походження. Ряд поточних і майбутніх експериментів буде присвячений питанню про те, чи існує асиметрія речовини-антиречовини серед нейтрино.

Хоча ми до сих пір не можемо повністю розгадатитаємницю асиметрії матерії і антиматерії, наше останнє відкриття відкрило двері в епоху точних вимірювань, які можуть розкрити ще невідомі явища. Є всі підстави вважати, що одного разу фізики зможуть пояснити, чому ми взагалі тут.

Ви не знаєте, чому? Якщо знаєте, розкажіть в нашому чаті в Телеграма.