У CERN фізики довели асиметрію матерії і антиматерії, яку так довго шукали. Вони вперше зафіксували відмінність при розпаді так званих D0-мезонів і їхніх античастинок.
Вперше вдалося виявити CP-асиметрію у частці, яка містить чарівний кварк. Тому тепер відхилення в поведінці матерії і антиматерії відомі для трьох видів кварків.
Під час Великого вибуху виникло рівну кількість матерії і антиматерії, але в сучасному Всесвіті домінує матерія — чому? Фізики припускають, що причиною цього є крихітні відмінності між частинками та їх антиматериальными відповідниками.
Але досі серед основних ознак не помічали ніякого неузгодження: магнітна поведінка, питомий електричний заряд, реакція на сильну ядерну енергію і спектр збігаються.
Доказ асиметрії речовини-антиречовини: при розпаді D0-мезонів (праворуч) певні форми розпаду відбуваються частіше, ніж при розпаді анти-D0-мезонів. (Зображення: CERN / LHCb)
Тільки за фізикам пощастило: в питаннях CP-інваріантності. Вона означає, що античастинка, крім протилежного заряду і дзеркально відбитого напрями, повинна вести себе точно так само, як і її «нормальний» аналог.
У 1960-х роках вчені знайшли перший випадок порушення цього правила: досліджуючи K-мезон, частку, що складається з дивного (s-кварк) і красивого (b-кварк) кварків. Проблема полягала в тому, що асиметрії тільки в цій точці недостатньо, щоб довести неврівноваженість матерії і антиматерії в цілому.
Щоб знайти нові свідоцтва, вчені у сфері елементарних частинок десятиліттями шукали інші випадки такого CP-асиметрії. Перші її докази виявили на Великому адронному колайдері 2017 року: при розпаді лямбда-b0-баріона і його античастинки.
Але нещодавно відбулося справжнє відкриття: фізики колаборації LHCb, що працює на CERN, вперше виявили CP-асиметрію у D0 — сезоні-частинки, що складається з чарівного і верхнього кварків. Вчені зафіксували відхилення в схемі розпаду D0-мезона і його античастки, і статистична значимість цього відхилення становить 5,3 Сігми. «Це, очевидно, переходить відмітку в 5 сигм, що у фізиці елементарних частинок є відправною точкою для констатації нового відкриття», — сказали вчені.
Так СР-антисиметрию підтвердили для третього виду кварків. Після дивного і красивого кварків асиметрію помітили і в чарівному. «Результат являє собою справжню віху в елементарній фізиці, — говорить директор дослідження на CERN Екард Эльзен. — З моменту відкриття D0-мезону понад 40 років, тому фізики припускали, що в ньому існує CP-викривлення». Але цього нікому не вдавалося довести до сих пір.
Типовий розпад при зіткненні в детекторі LHCb. Крім інших частинок, що утворюються короткочасні D0-мезони, які потім розпадаються. (Зображення: CERN)
Нову CP-асиметрію фізики виявили, аналізуючи дані LHCb-експеримент на Великому адронному колайдере (БАК) в CERN. При зіткненні протонів, що рухалися майже на швидкості світла, в цьому детекторі виникають короткочасні D-мезони, розпадаються на каоны або півонії. Згідно теорії, між тим, як розпадається D-мезон і анти-D-мезон, повинні були б існувати крихітні відмінності.
Для свого дослідження вчені проаналізували дані про розпад, отримані під час двох циклів роботи БАК. «Значна кількість розпадів надало нам необхідної чутливості, щоб виявити крихітні компонента цього СР-відхилення — повідомив Джованні Пассавела, представник LHCb-колаборації. — Щоб визначити масштаби відхилення, ми в принципі виміряли і порівняли D-і анти-D-розпаду».
Відкриття CP-відхилення в D-мезонах може допомогти розгадати велику таємницю асиметрії матерії-антиматерії. Адже виявлених досі СР-відхилень було недостатньо, щоб пояснити сучасний дисбаланс двох «дзеркальних світів», сказали фізики.
Після виявлення СР-асиметрії в чарівному кварку відкрилися нові ділянки для пошуку аналогічних явищ. Водночас подальші дослідження часток, що складаються з чарівного кварка, повинні були б допомогти перевірити стандартну модель фізики — і, ймовірно, нарешті надати докази «нової» фізики, розповіли фізики CERN. Все ж нововиявлена асиметрія вже погано вписується в рамки стандартної моделі.
