Мы существуем из-за ошибки. Или, скорее, за небольшой недостаток. Разве не поэтично думать, что все, что мы знаем (от звезд до гор, от собак до сэндвичей с ветчиной), существует потому, что что-то между материей и антиматерией пошло не так, как ожидалось? Но именно это и сделали ученые из CERN они пытаются нам доказать с почти трогательным упорством.
Последняя глава в этом исследовании была написана в Ла-Тюиле, в прекрасной долине Аоста, Италия, где физики объявили, что они наконец-то наблюдали тонкую, но существенную асимметрию в поведении частиц, называемую красота-лямбда барионы и их близнецы из антиматерии. Небольшое различие, которое могло бы объяснить одну из величайших загадок Вселенной: почему мы здесь, а не почему нас нет вообще.
Тайна «сложных отношений» между материей и антиматерией
Согласно всему, что мы знаем о физике, Большой взрыв должен был породить материю и антиматерию в абсолютно равных количествах. Приятная вечеринка по случаю открытия вселенной с равным количеством гостей от обеих фракций, так сказать. Но посмотрите вокруг: антиматерия практически «исчезла», в то время как материя сформировала все, что мы видим сегодня. От галактик до планет, от утреннего кофе до котят в сети — все состоит из материи.
Мне нравится представлять эту ситуацию как космические выборы, на которых победил один кандидат, набравший 100% голосов. Результат, который вызвал бы немало удивления у международных наблюдателей, не правда ли? Природа, очевидно, не большой демократ.
Когда частицы разбивают зеркало
Объяснение этой кажущейся космической несправедливости может заключаться в так называемом «нарушении CP-инвариантности». Представьте себе идеально симметричную вселенную, где у каждой частицы есть античастица-близнец с совершенно противоположными характеристиками. Если посмотреть через зеркало и поменять местами все электрические заряды, законы физики должны выглядеть точно так же. Это то, что физики называют «CP-симметрией».
Однако природа, с ее типичной склонностью разрушать красивые теории, решила, что эта симметрия не священна. Частицы и античастицы ведут себя по-разному, и это небольшое различие могло склонить чашу весов в пользу материи в первые мгновения после Большого взрыва.
Антиматерия, насколько нам известно, — это не что иное, как материя со знаком минус перед ней. Как тот родственник, который из принципа всегда делает наоборот тому, что ему говорят. Теоретически это увлекательно, но иметь под рукой довольно неудобно, особенно если вы заботитесь о целостности своей молекулы.
Прорыв в области красоты-лямбда-барионов
До сих пор нарушение CP-симметрии наблюдалось только в мезонах — частицах, состоящих из кварка и антикварка. Винченцо Ваньони, представительЭксперимент LHCb состоялся 24 марта, объясняет, почему потребовалось так много времени, чтобы наблюдать то же явление в барионах:
«Причина, по которой потребовалось больше времени, чтобы наблюдать нарушение CP в барионах, чем в мезонах, заключается в величине эффекта и доступных данных. Нам нужна была машина вроде LHC, способная производить достаточно большое количество барионов лямбда-красоты и их антиматерийных аналогов».
Il барионная нижняя лямбда (также называемая «красотой») Это своего рода более тяжелый и короткоживущий родственник протонов и нейтронов, из которых состоят атомы. Он состоит из верхнего кварка, нижнего кварка и прекрасного кварка. Я знаю, что физики, изучающие элементарные частицы, не известны своими настоящими именами, но они компенсируют это математической точностью.
Знаете ли вы, как в конце месяца вы тщательно пересчитываете свои чеки, чтобы выяснить, куда ушли ваши деньги? Здесь физики CERN они сделали нечто подобное, но с субатомными частицами. Они проанализировали огромные объемы данных, собранных детектором LHCb во время первого и второго запусков LHC (с 2009 по 2013 и с 2015 по 2018 годы), пытаясь найти различия в том, как лямбда-прекрасные барионы и их близнецы из антиматерии распадаются на более легкие частицы.
Числа, которые меняют все в танце между материей и антиматерией
Открытие тонкое, но важное: разница между числом распадов Λb и анти-Λb, деленная на их сумму, отличается от нуля на 2,45% с погрешностью около 0,47%. Статистически говоря, результат отличается от нуля. 5,2 стандартных отклонений, что превышает порог, необходимый для подтверждения существования нарушения CP-симметрии в этом барионном распаде.
Для непосвященных это все равно, что заметить, что в идеально перетасованной колоде карт красные карты выходят leggermente чаще, чем черные. Разница настолько мала, что вы можете ее не заметить во время покерного вечера, но она становится очевидной, если вы сыграете достаточно много рук. А когда речь идет о Вселенной, даже самая маленькая асимметрия может иметь колоссальные последствия, если ее увеличить на миллиарды лет.
Мне нравится представлять себе раннюю Вселенную как гигантский космический бальный зал, где частицы и античастицы неистово танцуют, уничтожая друг друга при встрече. Если бы танец был идеально симметричным, в конце на танцполе не осталось бы никого. Однако из-за этого небольшого недостатка в хореографии некоторые танцоры остались без партнеров, что и привело к появлению всего того, что мы видим сегодня. Провиденциальное несчастье.
За пределами Стандартной модели с материей и антиматерией
Самое интересное, что даже это нарушение CP-симметрии, хотя и подтверждено, недостаточно для объяснения того, почему во Вселенной так много материи и так мало антиматерии. The Стандартная модель физики элементарных частиц, наша лучшая попытка описать, как работает Вселенная на субатомном уровне, предсказывает нарушение CP-симметрии, слишком малое для объяснения наблюдаемой асимметрии.
Это говорит о том, что могут существовать новые источники нарушения CP-симметрии, выходящие за рамки предсказаний Стандартной модели, поиск которых является важной частью физической программы LHC и будет продолжен в ее «преемниках».
Иоахим Мних, директор по исследованиям и вычислениям в ЦЕРНе, комментирует:
«Я поздравляю коллаборацию LHCb с этим захватывающим результатом. Он еще раз подчеркивает научный потенциал LHC и его экспериментов и предоставляет новый инструмент для исследования асимметрии материи-антиматерии во Вселенной».
Элементарные частицы, охота продолжается
Исследование, как вы понимаете, еще далеко от завершения. Ученые продолжат поиск дополнительных доказательств нарушения CP-симметрии в других системах частиц, надеясь составить более полную картину того, как асимметрия между материей и антиматерией сформировала Вселенную.
Мне нравится думать, что мы наконец-то начинаем понимать, почему мы существуем, а не не существуем вовсе. Это немаловажно, учитывая, что большинство из нас тратят больше времени на переживания по поводу последнего обновления смартфона, чем на размышления о том, как нам повезло существовать.
Потому что да, мы можем быть довольны тем, что существуем благодаря ошибке. Но какая это была великолепная ошибка. Без этого мы бы не рассказывали эту историю. А некоторых комментариев в социальных сетях вообще бы не было, что, если подумать, могло бы быть не такой уж большой потерей.
