Вопрос о том, почему существует Вселенная, является одним из самых фундаментальных в науке и философии. Несмотря на развитие современной космологии и теоретической физики, точного ответа пока нет. Однако недавнее исследование, проведённое учёными в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), проливает свет на ключевой момент в этом вопросе — нарушение определённых симметрий, связанных с материей и антиматерией. Основная загадка появления Вселенной связана с преобладанием материи. Согласно общепринятой космологической модели, сразу после Большого взрыва в равных количествах возникали материя и антиматерия — взаимодействие этих двух форм материи приводило к их взаимному уничтожению.
Это порождало бы пустоту, если бы не небольшое, но значимое нарушение симметрии, которое позволило некоторой доле материи выжить и сформировать всё, что мы видим сегодня — звёзды, планеты, и нас самих. Эта асимметрия между материей и антиматерией известна как нарушение CP-симметрии, где C означает зарядовое сопряжение, а P — пространственную четность. Первые признаки такого нарушения были обнаружены в середине XX века при изучении мезонов — частиц, состоящих из кварка и антикварка. Но долгое время наблюдения ограничивались именно мезонами, тогда как большинство видимой материи состоит из барионов — частиц, состоящих из трёх кварков, таких как протоны и нейтроны. Новое исследование, проведённое коллаборацией LHCb при ЦЕРН, впервые подтвердило нарушение CP-симметрии в распадах барионов, а именно в распаде \({\varLambda }_{b}^{0}\) — частицы, включающей в себя тяжелый b-кварк.
Это открытие стало прорывом, поскольку ранее нарушение CP в барионах не было зарегистрировано с достоверной статистической значимостью. Учёные проанализировали огромное количество данных, полученных от столкновений протонов на Большом адронном коллайдере (БАК), выявив асимметрию между распадом \({\varLambda }_{b}^{0}\) и его античастицы \({\bar{\varLambda }}_{b}^{0}\). Измеренная величина асимметрии составляет около 2,45%, что, хотя и немного по абсолютным значениям, статистически превосходит порог в 5 сигма, необходимый для уверенного открытия в физике частиц. Суть феномена связана с тем, что при распаде частиц влияние слабого взаимодействия — одной из четырёх фундаментальных сил в природе — приводит к разным вероятностям распада материи и антиматерии. Это отражается на уровне кварков через так называемый механизм Кабиббо–Кобаяси–Маскавы (CKM-матрица), которая описывает смешивание кварков разных поколений и содержит комплексную фазу, ответственную за нарушение CP.
Однако пока механизм CKM объясняет лишь малую часть наблюдаемой асимметрии материи и антиматерии во Вселенной, что указывает на существование дополнительных источников CP-нарушения. Открытие нарушения CP в барионах открывает новый экспериментальный путь для поиска таких источников. Изучение конкретных каналов распада \({\varLambda }_{b}^{0}\) выявило, что различные промежуточные резонансы прямо влияют на величину и локализацию асимметрии. Чем сложнее и многокомпонентнее конечное состояние распада, тем более выраженным становится влияние сильных взаимодействий, которые могут создавать дополнительные фазы и усиливать эффект CP-нарушения. Эти результаты помогают теоретикам лучше понять, каким образом квантовые эффекты могут порождать разделение материи и антиматерии.
Более того, измерения в ЛХЦб и других экспериментах показывают, что динамика барионных систем значительно сложнее, чем у месонов, из-за присутствия более сложных структурных эффектов. Это означает, что модели физики частиц, ограниченные Стандартной моделью, возможно, недостаточны для объяснения всего объёма материи-барионов и их античастиц. Понимание нарушения CP-симметрии также связано с выполнением трёх условий, сформулированных Андреем Сахаровым в 1967 году, которые необходимы для объяснения барионной асимметрии во Вселенной — нарушение CP и C симметрий, нарушение термодинамической равновесия и наличие процессов, меняющих барионный номер. Недавнее открытие становится важной вехой в экспериментальном подтверждении одного из ключевых условий, что может помочь разгадать вопрос о причине существования Вселенной. На базе полученных данных уже строятся теоретические гипотезы и модели, которые выходят за рамки Стандартной модели, включая дополнительные силы и новые частицы, способные усиливать эффект CP-нарушения и тем самым объяснять наблюдаемое преобладание материи.
Эксперименты ЦЕРН продолжаются и будут расширяться с новой аппаратурой и модернизацией коллайдера. Ожидается, что в следующие годы будет получено более точное понимание механизмов CP-нарушения, а также новые данные о редких распадах и взаимодействиях, которые могут окончательно прояснить загадку происхождения материи. Таким образом, открытие нарушения CP-симметрии в барионных распадах — важный шаг к ответу на вопрос, почему существует сама Вселенная. Работа учёных из ЦЕРН даёт мощный инструмент и новую технику измерения, позволяя заглянуть в детали фундаментальных процессов, произошедших буквально в первые мгновения после Большого взрыва. Знание того, что природа не симметрична между материей и антиматерией, помогает понять не только наше происхождение, но и направляет поиск новых физических законов, которые возможно кардинально расширят представления о строении мира и законов, лежащих в его основе.
Это открытие — один из ключевых научных шагов XXI века, обещающий привести к прогрессу во многих областях физики и космологии.
