Нов експеримент на ЦЕРН хвърля светлина на мистерията материя-антиматерия
Последно: 19 юни 2024 г. в 10:20
Защо съществуваме? Това е може би най-дълбокият екзистенциален въпрос, който обаче може да изглежда напълно извън обхвата на физиката на елементарните частици. Нов експеримент в Големия адронен ускорител на CERN обаче, ни отвежда една стъпка по-близо до намирането на отговор на този въпрос.
За да разберем защо съществуваме, нека се върнем във времето около 13.8 милиарда години до Големия взрив. Това събитие произвежда еднакви количества от материята, от която сме създадени, и нещо, наречено антиматерия. Смята се, че всяка частица има антиматериен спътник, който е почти идентичен със себе си, но с обратен заряд. Когато частица и нейната античастица се срещнат, те се унищожават – изчезват в светлина.
Защо Вселената, която виждаме днес, е изцяло от материя, е една от най-големите загадки на съвременната физика. Ако някога е имало и еднакво количество антиматерия, всичко във Вселената би било унищожено. Новото изследване разкрива нов източник на тази асиметрия между материя и антиматерия.
Антиматерията за първи път е постулирана от Артър Шустер през 1896 г., с теоретична основа поставена от Пол Дирак през 1928 г. и открита под формата на анти-електрони, наречени позитрони, от Карл Андерсън през 1932 г. Позитроните се срещат в естествени радиоактивни процеси, като например разпадът на калий-40. Това означава, че един средно статистически банан (който съдържа относително много калий) излъчва позитрон на всеки 75 минути. След това те се унищожават с електроните на материята, за да произведат светлина. Медицински приложения като PET скенери произвеждат антиматерия в същия процес.
Основните градивни елементи на материята, които съставляват атомите, са елементарни частици, наречени кварки и лептони. Има шест вида кварки: Горен (u), Долен (d), Странен (s), Чаровен (c), Дънен (b) и Топ (t). По същия начин има шест лептона: електрон, муон, тау и трите неутрино.
Съществуват и антиматериални копия на тези дванадесет частици, които се различават само по своя заряд.
Частиците антиматерия трябва по принцип да бъдат перфектни огледални образи на техните нормални материални спътници. Но експериментите показват, че това не винаги е така: Например частиците, известни като мезони, които се състоят от един кварк и един антикварк. Неутралните мезони притежават завладяваща характеристика: те могат спонтанно да се превърнат в анти-мезон и обратно. В този процес кваркът се превръща в антикварк или антикваркът се превръща в кварк. Но експериментите показват, че това може да се случи повече в една посока, отколкото в противоположната – създавайки повече материя от антиматерията с течение на времето.
Сред частиците, съдържащи кварки, само тези, които включват кварки от вида Странен (s) и Дънен (b) са такива, които проявяват асиметрии. Първото наблюдение на асиметрията на Странни частици през 1964 г. позволи на теоретиците да предскажат съществуването на шест кварки – в момент, когато само три бяха известни. Откриването на асиметрия на частиците с Дънен (b) кварк през 2001 г. беше окончателното потвърждение на механизма, който доведе до шесткварковата картина. И двете открития получиха Нобелови награди.
Както Странен, така и Дънен кварк носят отрицателен електрически заряд. Единственият положително зареден кварк, който на теория би трябвало да може да образува частици, които могат да показват асиметрия на материя-антиматерия, е Чаровен. Теорията предполага, че ако го направи, тогава ефектът трябва да бъде малък и труден за откриване. Но експериментът с LHCb вече е успял да наблюдава за първи път такава асиметрия в частици, наречени D-мезон – които се състоят от Чаровни кварки. Това стана възможно благодарение на безпрецедентното количество Чаровни частици, произведени директно в сблъсъците на LHC, създадени преди десетилетие.
Резултатът показва, че вероятността това да е статистическа флуктуация е изключително малка – около 50 на един милиард.
Ако тази асиметрия не идва от един и същ механизъм, причиняващ асиметрии на Странни и Дънни кварки, това оставя място за нови източници на асиметрия на материя-антиматерия, които могат да се добавят към общата асиметрия в ранната Вселена. И това е важно, тъй като малкото известни случаи на асиметрия не могат да обяснят защо Вселената съдържа толкова много материя. Самото откриване на Чаровен кварк няма да бъде достатъчно, за да запълни тази празнина, но това е съществена част от пъзела в разбирането на взаимодействието на фундаменталните частици.
Откритието ще бъде последвано от увеличаващи се теоретични изследвания, които ще помогнат за интерпретиране на резултата. През следващото десетилетие подобреният експеримент на LHCb ще повиши чувствителността за тези видове измервания. Това ще бъде допълнено от базирания в Япония експеримент Belle II, който едва започва да работи. Това са вълнуващи перспективи за изследване на асиметрията на материя-антиматерия.
Антиматерията също е в основата на редица други експерименти. Цели антиатоми се произвеждат в антипертоновия децелатор на ЦЕРН, който захранва редица други опити и експерименти, извършващи измервания с висока точност. Експериментът AMS-2 на борда на Международната космическа станция търси антиматерия от космически произход. Редица текущи и бъдещи експерименти ще търсят отговор на въпроса дали има асиметрия на антиматерия-материя сред неутрино.
Въпреки че все още не може напълно да бъде разрешена загадката на асиметрията на материя-антиматерия във Вселената, новото откритие отвори врата за ерата на прецизните измервания, които имат потенциала да открият все още неизвестни явления. Има всички причини да бъдем оптимисти, че един ден физиката ще може да обясни защо сме тук.
