Вопрос о том, почему существует вселенная, является одним из самых фундаментальных и загадочных в науке и философии. Современная физика предлагает разнообразные теории происхождения и устройства космоса, однако главной загадкой остается асимметрия между материей и антиматерией, повлиявшая на формирование нашей реальности. Недавние исследования в Европейской организации по ядерным исследованиям — ЦЕРН — открывают новую главу в этом вопросе, предоставляя первые наблюдения нарушения CP-симметрии в распадах барионов, что может помочь понять, почему материя все же преобладает в нашей вселенной. Такие результаты означают серьезное продвижение в попытках разгадать тайну существования вселенной как таковой. Материя и антиматерия в космосе изначально предполагались равными по количеству в момент Большого взрыва, согласно космологическим моделям.
Однако наблюдаемая нами вселенная почти полностью состоит из материи – звезд, планет, газовых облаков и живых организмов. Если бы материя и антиматерия были строго симметричны, они бы взаимно уничтожились в первые мгновения существования вселенной, оставляя после себя только энергию. Но факт наличия материи говорит о том, что в физическом мире есть определенное, пусть и чрезвычайно малое, нарушение баланса этих двух форм вещества. Это и есть так называемое нарушение симметрии между материей и антиматерией, определяющее направление времени и эволюцию вселенной. Фундаментальным понятием в этой области физики является нарушение CP-симметрии – симметрии, объединяющей зарядовое сопряжение (C), которое меняет частицу на античастицу, и пространственную инверсию (P), отражающую физическую систему в зеркале.
Если бы все взаимодействия природы сохраняли CP-симметрию, то материя и антиматерия проявляли бы себя идентично, и проблема асимметрии осталась бы нерешенной. Однако, эксперименты показали, что в ряде процессов CP-симметрия нарушается, что приводит к разнице в поведении материи и антиматерии и тем самым поддерживает вероятность существования материи во вселенной. История открытия нарушения CP-симметрии начинается с далеких 1960-х годов, когда это явление было впервые обнаружено в распадах странных мезонов. Позже подобные эффекты были выявлены и в других мезонных системах, таких как красавичные (beauty) и очарованные (charm) мезоны, благодаря чему удалось углубить понимание механизмов микроскопической асимметрии. Основная теоретическая база для описания CP-нарушений лежит в Стандартной модели физики частиц, в частности в механизме Кабиббо–Кобаяси–Маскава, который использует сложную матрицу для описания смешивания кварков и вводит фазу, приводящую к CP-нарушению.
Несмотря на успехи в понимании CP-нарушения в мезонах, до недавнего времени ученые не имели экспериментальных подтверждений нарушения этой симметрии в барионах – тех частицах, из которых состоит обычная материя, включая протоны и нейтроны. Это приводило к серьезной теоретической дилемме, поскольку именно барионы составляют видимую материю в нашей вселенной. Отсутствие CP-нарушения в барионных распадах означало, что известные механизмы были недостаточны для объяснения материи, существующей вокруг нас. Исследователи из Великого адронного коллайдера в ЦЕРН изучили распады барионов с участием красотки (b) кварков, в частности распады \(\Lambda_b^0\) барионов в конечное состояние, состоящее из протона, каона и двух пи-мезонов. Благодаря огромному объему собранных данных и точности детектора LHCb команда впервые смогла обнаружить значимую асимметрию в скорости распада барионов и их античастиц, что однозначно указывает на нарушение CP-симметрии в барионах с высоким уровнем статистической достоверности.
Это открытие не только впервые подтвердило существование CP-нарушения в барионном секторе, но и продемонстрировало, что барионы и антибарионы ведут себя по-разному в своих распадах на уровне фундаментальных взаимодействий. Такие различия важны для объяснения наблюдаемого нами преобладания материи, так как они указывают на процессы, которые могли вызвать легкое, но значимое смещение баланса в пользу материи в ранней вселенной. Основным источником CP-нарушения внутри Стандартной модели является интерференция между квантовомеханическими амплитудами различных путей распада, которые отличаются по фазам. В случае \(\Lambda_b^0\) барионов ключевую роль играют так называемые «деревянные» и «петлевые» диаграммы взаимодействия кварков, которые несут разный вклад CP-нарушения. В дополнение к слабым фазам из механизма Кабиббо–Кобаяси–Маскава, сильное взаимодействие формирует дополнительные фазы, усиливая эффект CP-нарушения.
Комбинация этих факторов и определяет наблюдаемый уровень асимметрии в барионных распадах. Кроме того, помимо глобального измерения асимметрии, ученые проанализировали уголки фазового пространства распада \(\Lambda_b^0\), выявляя локализованные области с еще более заметным CP-нарушением. Эти участки связаны с промежуточными резонансными состояниями, которые по-видимому играют ключевую роль в проявлении асимметрий. Это открывает новые возможности для более детального понимания динамики распада барионов и поиска скрытых эффектов, выходящих за рамки Стандартной модели. Тем не менее, нынешнее наблюдаемое CP-нарушение в барионах все еще не полностью покрывает разницу между количеством материи и антиматерии, наблюдаемую во вселенной.
Это заставляет физиков продолжать исследование возможных дополнительных источников CP-нарушения и новых физических эффектов, возможно связанных с неизвестными частицами или силами. Новое открытие ЦЕРН служит импульсом к разработке расширенных теорий, которые могли бы объяснить, как именно возникла и сохранилась материя после Большого взрыва. Важность этих исследований выходит далеко за рамки физики частиц — она напрямую связана с нашим пониманием того, почему мы и вселенная вообще существуем. Когда ученые изучают законы, которыми управляются мельчайшие элементы материи, они одновременно продвигаются в раскрытии глобальных космологических загадок, таких как время, пространство и причина появления всего сущего. Будущие эксперименты и анализы данных в LHCb и других детекторах обещают более точные измерения CP-нарушения в барионных и других секторах.
Совместно с развитием теоретических моделей эти данные помогут выявить новые аспекты микромира и возможно указать на пути к физике за пределами известных сегодня представлений. Таким образом, новое открытие нарушения CP-симметрии в распадах барионов в ЦЕРН является ключевым звеном в многолетних поисках ответов на вопрос о существовании вселенной. Оно подтверждает, что микроскопические отличия между материей и антиматерией действительно сформировали нашу реальность, и открывает двери для дальнейших исследований природы материи, времени и пространства.
