Основы мироздания. Физики изучили, как материя переходит в антиматерию

Как возникла Вселенная и человек? Что такое темная материя и темная энергия? После открытия темной энергии и темной материи физики всего мира пытаются заново ответить на эти вопросы с учетом новых данных.

Один из самых больших открытых вопросов в физике сегодня — это соотношение материи и антиматерии. Чтобы понять, как соотносится материя и антиматерия во вселенной, физики Большого адронного коллайдера изучили процесс, в котором материя превращается в антиматерию и наоборот, и представили результаты своих исследований.

Открытие темной материи в первой половине XX века и темной энергии в конце XX века стало абсолютно новым поворотом в понимании мироздания. Оно спровоцировало фундаментальную ревизию всего того, что мы знали о нашей Вселенной.

Наличие темной материи и темной энергии, которые ранее не учитывались при создании картины мироздания, подтолкнуло человечество к созданию новой картины мира и заставило физиков работать над разгадкой тайны происхождения Вселенной. На данный момент физики всего мира стремятся обнаружить или получить искусственно в земных условиях частицы темной материи, посредством специально разработанного оборудования и множества научно-исследовательских методов.

Так, ученые Большого адронного коллайдера (БАК) изучили процесс, в котором материя переходит в антиматерию и наоборот. Физики обнаружили «переключение» субатомной частицы между состоянием частицы и собственной античастицы. Также учёные указали на то, что «ничтожная» разница в массе между двумя частицами могла спасти Вселенную от полной аннигиляции незадолго после её возникновения.

В ходе эксперимента LHCb физики впервые измерили одну из самых маленьких разниц в массе между двумя частицами и представили результаты своего открытия на конференции Charm.

ИА Красная Весна приводит перевод статьи с научного портала The Conversation «ЦЕРН: как мы исследуем происхождение Вселенной с помощью измерений с рекордной точностью».

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает фундаментальные частицы, из которых состоит Вселенная, и силы, действующие между ними. К элементарным частицам относятся кварки, которых шесть. Точно так же существует шесть «лептонов», которые включают электрон, мюон и еще более тяжелый тау, каждый из которых имеет ассоциированное нейтрино.

Существуют также «партнеры по антивеществу» всех кварков и лептонов, которые являются идентичными частицами, кроме противоположного заряда. Стандартная модель экспериментально проверена с невероятной степенью точности, но имеет некоторые существенные недостатки.

13,8 миллиарда лет назад Вселенная возникла в результате Большого взрыва. Одна из теорий предполагает, что это событие должно было произвести равное количество материи и антиматерии. При этом антиматерия и материя аннигилируют во вспышке энергии, когда они встречаются.

Один из самых больших открытых вопросов в физике — были ли в ранней Вселенной процессы, которые отдавали предпочтение материи, а не антиматерии? Чтобы приблизиться к ответу, мы изучили процесс, в котором материя превращается в антиматерию и наоборот. Кварки связаны вместе, образуя частицы, называемые барионами, включая протоны и нейтроны, составляющие атомное ядро, или мезоны, которые состоят из пар кварк-антикварк.

Мезоны с нулевым электрическим зарядом постоянно подвергаются явлению, называемому смешением, в результате которого они спонтанно превращаются в свою частицу антивещества и наоборот. В этом процессе кварк превращается в антикварк, а антикварк превращается в кварк.

Он может сделать это благодаря квантовой механике, которая управляет Вселенной в мельчайших масштабах. Согласно этой теории, частицы могут находиться во многих различных состояниях одновременно, по существу являясь смесью многих различных частиц, — особенность, называемая суперпозицией. Только когда вы измеряете его состояние, он «выбирает» один из них.

Например, тип мезона, называемый D0, который содержит кварки, находится в суперпозиции двух частиц нормальной материи, называемых D1 и D2. Учёные измерили разницу в массе мезонов D1 и D2. Эта разница контролирует скорость, с которой D-мезон колеблется. Колебание зависит от разницы в массах D1 и D2. Трудно измерить смешение в мезонах D0, но впервые это было сделано в 2007 году. Однако до сих пор никто достоверно не измерил разницу масс между D1 и D2, которая определяет, как быстро D0 осциллирует в свою античастицу.

Наше последнее открытие меняет это. Мы измерили параметр, который соответствует разнице масс 6,4×10^-6 электрон-вольт (мера энергии) или 10–38 граммов — одна из самых маленьких разниц масс между двумя частицами, когда-либо измеренных.

Затем мы подсчитали, что колебание между D0 и его партнером по антивеществу занимает около 630 пикосекунд (1 пс = 1 триллионная 10^-12 секунды). Это может показаться быстрым, но мезон D0 не живет долго — он нестабилен в лаборатории и распадается на другие частицы всего через 0,4 пикосекунды. Таким образом, он обычно исчезает задолго до того, как возникает это колебание, что создает серьезную экспериментальную проблему. Главное — точность.

Из теории мы знаем, что эти колебания следуют по пути знакомого типа волны (синусоидальной). Очень точно измерив начало волны, мы можем определить ее полный период, зная ее форму. Поэтому измерение должно было достичь рекордной точности по нескольким направлениям. Это стало возможным благодаря беспрецедентному количеству частиц очарования, произведенных на БАКе.

Но почему это так важно? Чтобы понять, почему Вселенная произвела меньше антивещества, чем вещества, нам нужно больше узнать об асимметрии в производстве этих двух веществ, процессе, известном как CP-нарушение. Уже было показано, что некоторые нестабильные частицы распадаются иначе, чем соответствующие им частицы антивещества.

Это, возможно, способствовало изобилию материи во Вселенной. Мы также хотим найти CP-нарушение в процессе смешивания. Если мы начнем с миллионов частиц D0 и миллионов античастиц D0, получим ли мы через некоторое время больше частиц нормальной материи D0?

Знание частоты колебаний является ключевым шагом на пути к этой цели. Хотя на этот раз мы не обнаружили асимметрии, наш результат и дальнейшие точные измерения могут помочь нам найти ее в будущем.

В следующем году БАК включится после длительного отключения, и новый модернизированный детектор LHCb будет принимать гораздо больше данных, что еще больше повысит чувствительность этих измерений. Тем временем физики-теоретики работают над новыми расчетами, чтобы интерпретировать этот результат.

Физическая программа LHCb также будет дополнена экспериментом Belle-II в Японии. Это сулит захватывающие перспективы для исследования асимметрии материи-антиматерии и колебаний мезонов. Хотя мы еще не можем полностью разгадать тайны Вселенной, наше последнее открытие положило следующий кусочек в головоломку.

Новый модернизированный детектор LHCb откроет дверь в эпоху точных измерений, которые потенциально могут раскрыть еще неизвестные явления — и, возможно, физику, выходящую за рамки Стандартной модели.