Почему мы существуем? Это, пожалуй, самый глубокий вопрос, который, как может показаться, совсем выходит за рамки физики элементарных частиц. Но новый эксперимент на Большом адронном коллайдере ЦЕРН приблизил человечество к ответу.
Чтобы понять, почему мы существуем, нужно сначала отправиться на 13,8 миллиардов лет назад, во времена Большого Взрыва. Это событие вызвало появление равного количества вещества, из которого мы состоим, и антивещества.
Считается, что каждая частица имеет партнера из антиматерии, который практически идентичен ей, однако обладает противоположным зарядом. Когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют – исчезают во вспышке света.
Где все антивещество?
Почему Вселенная, которую мы видим, состоит целиком из материи, это одна из самых больших загадок современной физики. Если бы когда-то было равное количество антивещества, все во Вселенной аннигилировало бы. И вот недавно опубликованное исследование, похоже, нашло новый источник асимметрии между материей и антиматерией.
Об антиматерии первым заговорил Артур Шустер в 1896 году, затем в 1928 году Поль Дирак привел ее теоретическое обоснование, а в 1932 году Карл Андерсон обнаружил ее в форме антиэлектронов, которые получили название позитронов. Позитроны рождаются в естественных радиоактивных процессах, например, распада калия-40. Это означает, что обычный банан, который содержит калий, излучает позитроны каждые 75 минут. Затем он аннигилирует с электронами материи, производя свет. Медицинские программы вроде сканеров PET также производят антиматерию в аналогичном процессе. Основными строительными блоками вещества, из которого состоят атомы, являются элементарные частицы – кварки и лептоны.
Существует шесть видов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, искренний и красивый. Так же существует шесть лептонов: электрон, мюон, тау и три вида нейтрино. Есть также антиматериальная копия этих двенадцати частиц, которые отличаются только своим зарядом. Частицы антивещества в принципе должны быть идеальным зеркальным отражением своих обычных спутников. Но эксперименты показывают, что это не всегда так. Возьмем, например, частицы, известные как мезоны, состоящие из одного кварка и одного антикварка. Нейтральные мезоны имеют странную особенность: они могут спонтанно превращаться в свой антимезон и наоборот. В этом процессе кварк превращается в антикварк, или антикварк превращается в кварк. Однако эксперименты показали, что это может происходить чаще в одном направлении, чем в другом – в результате чего материи со временем становится больше, чем антиматерии.
Третий раз – волшебный
Среди частиц, содержащих кварки, такие асимметрии обнаружены только у странных и красивых кварков – и эти открытия стали чрезвычайно важными. Прежде наблюдения асимметрии с участием странных частиц в 1964 году позволили теоретикам предсказать существование шести кварков – в то время, когда было известно, что существует только три. Открытие асимметрии у красивых частиц в 2001 году стало окончательным подтверждением механизма, который привел к картине с шестью кварками. Оба открытия принесли Нобелевские премии.
И странный, и красивый кварки переносят отрицательный электрический заряд. Единственный положительно заряженный кварк, который теоретически должен быть способен образовывать частицы, которые могут проявлять асимметрию вещества и антивещества – это очарованный (charm). Теория предполагает, что когда он это делает, его эффект должен быть незначительным и трудно выявляемым. Но эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере впервые смог выявить такую асимметрию в частицах, называемых D-мезонами, которые состоят из очарованных кварков. Это стало возможным благодаря беспрецедентному количеству захваченных частиц, производимых непосредственно в столкновениях на БАК. Результат показывает, что вероятность того, что это статистическая флуктуация, составляет 50 на миллиард.
Если эта асимметрия рождается не из того же самого механизма, который приводит к асимметрии удивительного и красивого кварков, остается пространство для новых источников асимметрии материи – антиматерии, которые могут добавить к общей асимметрии таких во Вселенной.
И это важно, поскольку несколько известных случаев асимметрии не могут объяснить, почему во Вселенной так много материи. Одного открытия с очарованными кварками будет недостаточно, чтобы восполнить этот пробел, но это важная часть головоломки в понимании взаимодействия фундаментальных частиц.
Следующие шаги
После этого открытия последует рост количества теоретических работ, которые помогли в интерпретации результата. Но что более важно, эта интерпритация определит дальнейшие тесты для углубления понимания нашего открытия – и некоторые из этих тестов уже проводятся.
В предстоящее десятилетие модернизированный эксперимент LHCb повысит чувствительность таких измерений. Он будет дополнен экспериментом Belle II в Японии, который только начинает работать.
Антиматерия также лежит в основе ряда других экспериментов. Целые антиатомы производятся на антипротонном замедлителе ЦЕРН, и они обеспечивают целый ряд экспериментов по проведению высокоточных измерений. Эксперимент AMS-2 на борту Международной космической станции находится в поисках антиматерии космического происхождения.
Ряд текущих и будущих экспериментов будут посвящены вопросу о том, существует ли асимметрия вещества-антивещества среди нейтрино. Хотя мы еще не можем полностью разгадать тайну асимметрии материи и антиматерии, наше последнее открытие открыло двери в эпоху точных измерений, которые могут раскрыть еще неизвестные явления. Есть все основания считать, что однажды физики смогут объяснить, почему мы вообще здесь.
Ваше мнение