Почему существует Вселенная? Новые открытия ЦЕРН проливают свет на вечную загадку

Биткойн

Вопрос о том, почему существует Вселенная, остаётся одной из глубочайших загадок не только современной науки, но и философии. На протяжении веков человечество пыталось найти ответ: почему вместо полного отсутствия всего, мы наблюдаем бескрайний космос, звёзды, планеты и, в конечном итоге, себя? Новейшие исследования, проведённые в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), предлагают важные подсказки для разгадки этого фундаментального вопроса. Они связаны с явлением квантовой асимметрии, проявляющейся в процессах, называемых нарушением симметрии заряд-паритет, или CP-нарушением, которое лежит в основе преобладания материи над антиматерией. Согласно общепринятой теории, при Большом взрыве материя и антиматерия возникали в равных количествах. Теоретически, они должны были взаимно аннигилировать, что привело бы к пустоте.

Однако ныне наблюдаемая Вселенная практически полностью состоит из материи, а антиматерии чрезвычайно мало, и причина этого до недавнего времени оставалась неясной. На этот феномен внимание обратил советский физик Андрей Сахаров в 1967 году, сформулировав необходимые условия для объяснения нарушения симметрии между материей и антиматерией. Одним из главных его пунктов было именно CP-нарушение — явление, при котором поведение частиц и их античастиц не является зеркально симметричным. CP-нарушение впервые было обнаружено в 1964 году в распаде странных мезонов, частиц, состоящих из кварка и антикварка определённого типа. С тех пор подобные эффекты выявлялись и в других системах, однако до сих пор ни в одном типе барионов — частиц, из которых состоит видимая материя Вселенной (например, протон и нейтрон) — CP-нарушение чётко зафиксировано не было.

Это был один из ключевых пробелов в нашем понимании перехода от симметричного мира к миру, состоящему преимущественно из материи. Недавнее исследование, опубликованное коллективом LHCb в Nature в 2025 году, наконец продемонстрировало первое надёжное наблюдение CP-нарушения в распаде барионов, а именно в распаде красоты-бариона Λ0b. Уникальность этого открытия в том, что оно основано на обширных данных, собранных с помощью детектора LHCb в ЦЕРН, и даёт непосредственные экспериментальные доказательства того, что барионы ведут себя иначе, чем их анти-аналоги при распадах. Это подтверждает важную роль CP-нарушения в барионном секторе и даёт толчок для дальнейших исследований условий, приведших к существованию нашего мира. Сам процесс измерения заключался в сравнении скоростей распада Λ0b и его античастицы с последующим учётом так называемых систематических искажений — эффектов, связанных с асимметрией производства частиц в протон-протонных столкновениях, особенностями детектора и каналами фона.

Чтобы нивелировать эти искажения, использовался контрольный канал, где CP-нарушение не ожидается, что позволило более точно выделить истинный эффект CP-асимметрии. Фундаментально, наблюдаемое CP-нарушение возникает из-за интерференции между двумя типами квантовых процессов: прямым («деревом») и цикличным («петлём») переходами кварков, участвующих в слабом взаимодействии. Их амплитуды обладают разными фазами, которые при определённых условиях дают необратимый эффект, проявляющийся как асимметрия в распадных процессах. Отметим, что основную теоретическую основу нарушения CP закладывает механизм Кабиббо–Кобаяши–Маскава (CKM), объясняющий смешивание поколений кварков с неустранимой комплексной фазой, формирующей источник CP-нарушения. Хотя механизм CKM успешно описывает множество наблюдаемых эффектов CP-нарушения в мезонах, количество асимметрии, которое он предсказывает, существенно меньше того, что необходимо для объяснения нынешнего господства материи в космосе.

Поэтому открытие CP-нарушения в барионном секторе является важным шагом, поскольку оно может помочь выявить новые физические процессы за пределами стандартной модели. Кроме того, изучение локальных CP-асимметрий в различных областях фазового пространства распада Λ0b выявило, что некоторые резонансные состояния и промежуточные частицы играют важную роль в усилении этого эффекта. Это подтверждает сложность динамики барионных распадов, которые включают множество пересекающихся и интерферирующих амплитуд с различными фазами — ситуация, значительно превосходящая по сложности распады мезонов. Успешная демонстрация CP-нарушения в барионных распадах не только заполняет важный пробел в экспериментах, но и открывает новые горизонты в поисках физики за пределами нынешних теоретических моделей. Результаты LHCb стимулируют дальнейшие теоретические разработки и эксперименты, направленные на поиск новых источников CP-нарушения, которые могли бы помочь разгадать, почему Вселенная существует именно в той форме, которую мы наблюдаем сегодня.

В заключении, недавние открытия в ЦЕРН свидетельствуют о том, что фундаментальные принципы, управляющие асимметрией между материей и антиматерией, сложнее и многограннее, чем предполагалось ранее. Это открытие делает большой шаг на пути к пониманию происхождения Вселенной, углубляя наше представление о структуре материи и природе физических законов. Несмотря на это, полное объяснение вопроса «почему существует Вселенная?» ещё далеко, и новые экспериментальные данные, получаемые в ЦЕРН и других научных центрах, будут ключевыми для продолжения этого великого поискового путешествия.