Iš daugybės neatsakytų klausimų, stovinčių fizikos Standartinio modelio kelyje ir neleidžiančių jam tinkamai paaiškinti Visatą ir viską, kas joje yra, vienas iš didžiausių – materijos ir antimaterijos asimetrijos paslaptis.
Didžiojo sprogimo metu sukurti vienodi materijos ir antimaterijos kiekiai turėjo vienas kitą panaikinti, palikdami Visatą be jokių dalelių, tačiau dalelių liko pakankamai, kad galėtume išsivystyti mes ir tokius klausimus kelti. Nauji Didžiojo hadronų priešpriešinių srautų greitintuvo (Large Hadron Collider – LHC) detektoriai CERN teikia didžiausias šio mūsų egzistavimo paradokso paaiškinimo viltis. Prisiminkime, kas šioji asimetrinės Visatos problema yra. Fizikos dėsniai numato, kad kiekviena įprastos materijos dalelė turi tokią pačią, tik priešingo krūvio antidalelę.
Protono susidūrimas su protonu LHCb / ©CERN
Tai reiškia, kad kiekvienas neigiamo elektros krūvio elektronas turi teigiamai įkrautą atitikmenį – pozitroną. Kiekvienam įprasto vandenilio atomui yra antivandenilio atomas. Jei antidalelė susitinka įprastą dalelę, jos viena kitą sunaikina, anihiliuoja, ir išlaisvina energiją šviesos forma.
Taigi, prisimenant, kad Standartinis modelis numato, jog Didžiojo sprogimo metu buvo sukurta po vienodai barioninių dalelių materijos ir antimaterijos forma – vadinamosios barioninės ir antibarioninės materijos – kyla problema. Barionai yra itin svarbi subatominių dalelių forma, nes, spėkite, kas yra didžiąją regimos visatos masės dalį sudarantys protonai ir neutronai? Taigi, kad barionai.
O tai, kad Visatoje yra tokia didžiulė barioninės materijos persvara prieš antibarioninę yra problema, nes vienodi jų kiekiai, susidarę Didžiojo sprogimo metu, turėjo vienas kitą nedelsdami panaikinti ir Visatoje dalelių turėjo praktiškai nelikti – vien spinduliavimas. Standartiniame Modelyje į mažutėlę barioninių dalelių asimetriją atsižvelgiama, tačiau to niekaip nepakanka paaiškinti dabar esančio barioninės materijos pertekliaus. Tai kaip materija išgyveno?
Visatos simetrijos pažeidimas implikuoja, kad fizikos dėsniai nėra vienodi materijai ir antimaterijai, ir fizikai pluša, stengdamiesi išsiaiškinti, kur dėsniai galėtų nesutapti – šis reiškinys vadinamas krūvio–pariteto pažeidimu (charge-parity – CP) pažeidimas. Ankstesni tyrimai aptiko CP pažeidimo požymių mezonuose – hadronų dalelių šeimai priklausančiose dalelėse, – bet norint numatyti dabar Visatoje esantį materijos kiekį, pažeidimą aptikti reikia ir barionuose.
Ilgiau nei pusę amžiaus, mokslininkai ieškojo CP pažeidimo žymių barionuose ir dabar tyrėjai, dirbantys su vienu iš LHC detektorių, CERN, Šveicarijoje, panašu, galiausiai jas rado. Naudodama LHCb detektorių, komanda sukūrė daugybę tam tikro tipo barionų (Λb0 - Lambda barionų) ir jų antimedžiagos versijos (Λb0-bar), ir stebėjo, kaip jos susidurdamos skyla į protoną (arba antiprotoną) ir tris krūvį turinčias daleles, pionus.
„Šis procesas itin retas, ir niekada nebuvo anksčiau stebėtas, – paaiškino komanda. – Kadangi LHC šie barionai gaunami dideliu našumu, specializuotu LHCb detektoriumi komandai pavyko surinkti gryną maždaug 6000 tokių skilimų pavyzdį.“
Šių dalelių skilimo į skirtingus komponentus faktas svarbus, nes bet koks žymus skirtumas – asimetrija – tarp materijos ir antimaterijos barionų turėtų būti CP pažeidimo rezultatas. Ir būtent tai tyrėjai aptiko.
„LHCb duomenys atskleidė reikšmingą asimetrijos lygį šiuose CP-pažeidimą rodančiuose Λb0 ir Λb0-bar barionų skilimų kiekiuose – kai kuriais atvejais skirtumas siekė 20 procentų,“ praneša tyrėjai. Tai jaudinanti naujiena ir ji gali reikšti, kad stovime ant vienos iš svarbiausių moderniosios fizikos problemų sprendimo slenksčio… bet dar ne visai.
CERN praneša, kad statistinis reikšmingumo lygis – kuriuo fizikai matuoja tikimybę, kad rezultatai nebuvo grynas atsitiktinumas – yra 3,3 standartinių nuokrypių, o skelbti atradimą galima tik pasiekus 5σ lygį. Turint omenyje, kaip sėkmingai LHCb pasirodė, kurdamas šias barionų reakcijas, veikiausiai tik laiko klausimas, kada išvysime šių rezultatų patvirtinimą (ar paneigimą).
Ir, kaip Chris Lee paaiškino, yra priežasčių palūkėti šio magiškojo 5:
„Dalelių fizikos rezultatai, kruopščia statistine analize tempiami iš triukšmo, spardosi ir klykia; joks atradimas nėra atliktas, kol atsitiktinės fluktuacijos galimybė nesumažinama žemiau vieno iš milijono. Tokio rezultato kol kas dar nėra (dabar jis yra maždaug vieno iš tūkstančių lygyje). Taigi, tai perspektyvu ir žinant LHC duomenų pateikimo spartą, asimetrija netrukus bus arba sustiprinta, arba visai išnyks. Bet kadangi mezonų rezultatai gerai ir nuodugniai patikrinti, būtų išties keista, jei rezultatas pasirodytų neteisingas.“
Kol kas tegalime stebėti šią sritį, nes tyrėjai jau analizuoja naują, didesnę LHC duomenų imtį. Tikriausiai nereikės itin ilgai laukti jų sprendimo.
Šis tyrimas publikuotas „Nature Physics“.
