Почему мы существуем? Это, пожалуй, самый глубокий вопрос, который может показаться совершенно выходящим за рамки физики элементарных частиц. Но наш новый эксперимент на Большом адронном коллайдере ЦЕРН приблизил нас к ответу. Чтобы понять, почему мы существуем, нужно сперва отправиться на 13,8 миллиардов лет назад, во времени Большого Взрыва. Это событие произвело равное количество 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 величайших загадок современной физики. Если когда-то было равное количество антивещества, все во Вселенной аннигилировало бы. И вот, недавно опубликованное исследование, похоже нашло новый источник асимметрии между материей и антиматерии.

Об антиматерии первым заговорил Артур Шустер в 1896 году, затем в 1928 году Поль Дирак привел ей 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 (содержащий калий) испускает позитрон каждые 75 минут. Затем он аннигилирует с электронами в материи, производя свет. Медицинские приложения вроде сканеров PET также производят антиматерию в аналогичном процессе.

Основными строительными блоками вещества, из которого состоят атомы, являются элементарные частиц — кварки и лептоны. Существует шесть видов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и красивый. Точно так же, существует шесть лептонов: электрон, мюон, тау и три вида нейтрино. Есть также антиматериальные копии 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, к примеру, частицы, известные как мезоны, которые состоят из одного кварка и одного антикварка. Нейтральные мезоны имеют удивительную особенность: они могут самопроизвольно превращаться в свой анти-мезон 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 становится больше со временем, чем антиматерии.

Третий раз — волшебный

Среди частиц, содержащих кварки, такие асимметрии обнаружены только у странных и красивых кварков — и эти открытия стали чрезвычайно важными. Самое первое наблюдение асимметрии с участием странных частиц в 1964 году позволило 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, которое привело к картине с шестью кварками. Оба открытия принесли Нобелевские премии.

И странный, и красивый кварки переносят отрицательный электрический заряд. Единственный положительно заряженный кварк, который в теории должен быть способен образовывать частицы, которые могут проявлять асимметрию вещества и антивещества — это очарованный. Теория предполагает, что он это делает, его эффект должен быть незначительным и трудно находимым.

Но эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере смог наблюдать такую асимметрию в частицах, называемых D-мезонами, которые состоят из очарованных кварков — впервые. Это стало возможным благодаря беспрецедентному количеству очарованных частиц, произведенными 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 асимметриям странного и красивого кварков, остается пространство для новых источников асимметрии материи-антиматерии, которые могут добавить к общей асимметрии таковых во Вселенной. И это важно, так как несколько известных случаев асимметрии не могут объяснить, почему во Вселенной так много материи. Одного открытия с очарованными кварками будет недостаточно, чтобы заполнить этот проблем, но это важная часть головоломки в понимании взаимодействия фундаментальных частиц.

Следующие шаги

За этим открытием последует рост количества теоретических работ, которые помогают в интерпретации результата. Но что еще более важно, она наметит 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 будет посвящен вопросу о том, существует ли асимметрия вещества-антивещества среди нейтрино.

Хотя мы до сих пор не можем полностью разгадать тайну асимметрии материи и антиматерии, наше последнее открытие открыло дверь в эпоху точных измерений, которые могут раскрыть еще неизвестные явления. Есть все основания полагать, что однажды физики смогут объяснить, почему мы вообще здесь.