Вопрос о причинах существования Вселенной является одной из самых фундаментальных загадок науки и философии. Почему существует именно материальный мир, а не пустота или что-то совершенно иное? Почему материя превалирует над антиматерией? На эти и многие другие вопросы ученые продолжают искать ответы с помощью самых мощных исследований и технологий. Одним из последних значимых прорывов в этой области стала работа, проведенная на Европейском центре ядерных исследований (CERN), где была впервые обнаружена зарядно-паритетная (CP) симметрия, нарушающаяся в распадах барионов – частиц, составляющих основу видимой материи во Вселенной. Это открытие не только расширяет наш взгляд на Стандартную модель физики элементарных частиц, но и проливает свет на то, почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии в равных долях, как предполагалось ранее. Фундаментальным постулатом теоретической физики долгое время считалась симметрия между материей и антиматерией.
Согласно современным космологическим моделям, в момент Большого взрыва материя и антиматерия возникли в равных количествах. При встрече они должны были мгновенно аннигилировать друг друга, оставляя после себя пустоту. Однако наблюдаемая Вселенная полна материи, а количественное присутствие антиматерии практически отсутствует. Это парадоксальное наблюдение породило гипотезу о нарушении CP-симметрии, впервые предложенной Андреем Сахаровым в 1967 году. Для того чтобы материя могла стать доминирующей, необходимо нарушение как C- (зарядовой симметрии), так и CP-симметрий.
Ранее нарушение CP-симметрии наблюдалось в распадах мезонов, состоящих из пары кварк-антикварк, однако барионы, которые составляют ядра всех атомов вокруг нас, до недавнего времени не демонстрировали такого поведения. Именно эта проблема и стала предметом тщательных исследований команды LHCb, одного из экспериментов Большого адронного коллайдера (LHC) в CERN. Используя огромные массивы данных с коллайдера, ученые впервые зарегистрировали значительное нарушение CP-симметрии в распадах барионов, в частности, красотки бариона \(\Lambda_{b}^{0}\), распадающегося на протон, каон и два пиона. В ходе эксперимента изучался процесс, где барион \(\Lambda_{b}^{0}\), состоящий из двух верхних (u) и одного нижнего (b) кварков, распадается в четыре частицы: протон, отрицательный каон, положительный и отрицательный пионы. Аналогичный процесс производился с античастицей \(\bar{\Lambda}_{b}^{0}\).
Проанализировав различия в частотах распада \(\Lambda_{b}^{0}\) и \(\bar{\Lambda}_{b}^{0}\), команда обнаружила асимметрию, которая не может быть объяснена существующими теориями без учета нарушения CP-симметрии. Эта асимметрия была значима на уровне 5,2 стандартных отклонений, что является классическим порогом для признания открытия в физике элементарных частиц. Однако важно понимать, что нарушение CP-симметрии встроено в Стандартную модель физики благодаря механизму Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (CKM). Эта теория объясняет, как кварки разных поколений могут переходить друг в друга при помощи слабого ядерного взаимодействия, и содержит комплексный фазовый параметр, ответственный за CP-нарушение. Тем не менее, величина CP-асимметрии, описываемая CKM-механизмом, значительно меньше той, которая необходима для объяснения наблюдаемого избытка материи во Вселенной.
Другими словами, в рамках Стандартной модели нарушений CP-симметрии недостаточно, чтобы полностью объяснить наше существование, что наводит на мысль о наличие новой физики вне пределов текущих теорий. Обнаружение CP-нарушения в распадах барионов — это важное достижение, поскольку барионная материя — это и есть материя, из которой состоит мы и все вокруг. Оно открывает новые возможности для исследований: изучение локальных асимметрий в разных каналах распада, взаимодействие различных промежуточных резонансов, характеризующих конечные состояния, и углубленные амплитудные анализы позволят более подробно понять природу CP-нарушения. Кроме того, подобные исследования могут помочь выявить новые частицы или силы, которые могли бы способствовать более значительным нарушениям симметрии, необходимым для объяснения разницы между материей и антиматерией. Большой адронный коллайдер предоставляет уникальные условия для изучения фундаментальных аспектов физики и космологии.
Высокая энергия столкновений, огромный поток частиц и современные детекторы, такие как LHCb, позволяют обнаруживать редкие процессы и микроасимметрии с высокой точностью. Использование инновационных алгоритмов анализа данных, например, методов машинного обучения и механизмов PID (идентификации частиц), способствует повышению чистоты выборки и надёжности результатов. Это открытие также имеет далеко идущие последствия в космологии и астрофизике. Оно подтверждает, что на микроскопическом уровне существует базовая асимметрия между материей и антиматерией, что способствует формированию макроскопического мира. В дальнейшем подобные исследования могут помочь понять механизмы барионной асимметрии Вселенной, которая остаётся одной из главнейших нерешённых загадок.
