Почему существует Вселенная? Новое открытие CERN раскрывает загадку

Продажи токенов ICO

Величайшая загадка человечества — почему существует Вселенная, почему материальный мир преобладает над антиматериальным, если при Большом взрыве их количества были равны? Этот вопрос волнует ученых, философов и мыслителей на протяжении веков. Недавнее важное открытие, сделанное в Европейской организации по ядерным исследованиям — CERN, приблизило нас к ответу на этот фундаментальный вопрос. Исследования в области нарушения симметрии CP (заряда и паритета) в распадах барионов, таких как лямбда-барион b (Λb0), позволили впервые наблюдать асимметрию, которая может объяснить, почему материя сумела выжить после аннигиляции с антиматерией. Суть проблемы связана с тем, что изначально, согласно космологическим моделям, в момент Большого взрыва материя и антиматерия были созданы в равном количестве. Однако наша текущая вселенная явно состоит преимущественно из материи.

Когда материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют, превращаясь в энергию. Для того чтобы объяснить существование материи, требуется нарушение симметрии между материей и антиматерией — так называемое нарушение CP-симметрии, когда свойства частиц и их античастиц отличаются. Принципы и механизмы нарушения CP-симметрии были известны уже несколько десятилетий, при этом ранее наблюдалось нарушение CP в распадах мезонов, частицы, которые состоят из кварка и антикварка. Однако несмотря на многочисленные поиски, до недавнего времени такое нарушение не фиксировалось в распадах барионов, к которым относится большинство наблюдаемой материи, включая протоны и нейтроны. Исследование, проведённое в рамках эксперимента LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) на Большом адронном коллайдере в CERN, впервые обнаружило проявление нарушения CP-симметрии именно в распаде барионов.

Речь идёт о распаде частицы Λb0 на протон, отрицательный каон и пару пи-мезонов с противоположными зарядами. Анализ огромного объёма данных, собранных в течение нескольких лет работы с коллайдером, показал значительную асимметрию между числом распадов Λb0 и его античастицы, что с высокой статистической уверенностью свидетельствует о наличии CP-нарушения. Это открытие весомо не только для физики элементарных частиц, но и для самой космологии, ведь оно даёт ключ к пониманию процессов, приведших к доминированию материи в ранней Вселенной. Согласно теории, чтобы возникла такая асимметрия, должны выполняться несколько условий, предложенных Андреем Сахаровым в 1967 году. Нарушение CP-симметрии — одно из них.

Теперь, впервые увидев эту асимметрию у барионов, ученые смогут подробнее оценить, насколько сильными могут быть эти эффекты и служат ли они причиной антиматериального дефицита. Основой нарушения CP в Стандартной модели физики частиц является механизм Кобаяши–Маскава — сложная матрица, описывающая переходы между различными кварками при слабом взаимодействии. Именно фазы этой матрицы приводят к различиям в поведении материи и антиматерии. Однако возможности Стандартной модели ограничены: она способна объяснить лишь малую часть наблюдаемой асимметрии между материей и антиматерией, что указывает на существование новых, ещё не открытых сил или частиц, способных усугублять нарушение CP-симметрии. Исследование распадов Λb0 изобилует сложной картиной композитных промежуточных резонансов, в которых кварки взаимодействуют в сильном поле.

Это создаёт условия для усиления CP-асимметрий за счёт интерференции различных амплитуд распада, которые имеют различия как в слабых, так и в сильных фазах. Поэтому понимание динамики этих процессов важно для интерпретации наблюдаемых эффектов и овладения моделью, которая сможет в полной мере описать процессы уклонения симметрии. Эксперимент LHCb использовал новейшие методы выделения сигналов и подавления шума, включая машинное обучение для классификации событий, что позволило собрать рекордные объёмы данных с низким уровнем систематических ошибок. Коллектив учёных тщательно измерил разницу между количеством барионов и антибарионов, учитывая при этом возможные искажения, связанные с производственной и детекторной асимметрией. Обнаруженная CP-асимметрия в распаде Λb0 составляет около 2,45%, что с учётом ошибок даёт значимость превышающую пять сигм — стандартное пороговое значение для утверждения открытия в физике.

При анализе различных областей конечного пространства состояний эффекты нарушения симметрии оказались ещё более заметными, достигая свыше 5% в некоторых резонансных структурах. Это подтверждает, что осложнённые динамические процессы и смешение амплитуд играют ключевую роль. Открытие становится новой точкой отсчёта для поисков новых физических явлений за пределами Стандартной модели. Согласно Стандартной модели, нарушение CP может происходить только с определённой силой, но наблюдаемая асимметрия во Вселенной требует более значимых эффектов. Таким образом, понимание полной картины нарушения симметрий и возможных новых источников CP-нарушения может привести к открытию неизвестной физики, возможно связанной с темной материей, дополнительными измерениями, или другими фундаментальными феноменами.

Будущие эксперименты на LHC, а также проекты на новых коллайдерах и ускорителях, позволят расширить статистику, исследовать другие виды барионных и мезонных распадов, а также более точно измерить параметры CKM-матрицы. В совокупности с развитием теоретических моделей и вычислительными методами, это создаст более полное понимание механизмов, определяющих структуру Вселенной. Кроме того, наблюдения CP-нарушения способствуют ответам на вопросы о происхождении материи, эволюции ранней Вселенной и фундаментальной природе физических законов. Ученые продолжают развивать методы анализа, включая углубленное изучение амплитудных анализов, исследование угловых распределений продуктов распада и использование данных из других экспериментов, чтобы систематически приручить загадку барионной асимметрии. В итоге открытие CERN подчеркивает важность соединения экспериментов с высокими энергиями и космологических задач для ответа на главный вопрос — почему все вокруг нас существует именно так, как существует.

Материя доминирует над антиматерией неслучайно, и раскрытие природы этой асимметрии является краеугольным камнем современного понимания космоса. В ближайшие годы можно ожидать новых уникальных результатов, которые откроют ещё более глубокие горизонты в изучении фундаментальных законов природы, и, возможно, однажды приведут человечество к полному объяснению происхождения Вселенной и нашего места в ней.