Физики попытались выяснить, почему после Большого взрыва во Вселенной сохранилась материя, хотя большая её часть должна была исчезнуть при столкновениях с антиматерией. Учёные коллаборации LHCb на Большом адронном коллайдере сравнили распады частиц и античастиц, надеясь найти неизвестные различия в их поведении. Небольшую разницу обнаружили, но доказательств новой физики получить не удалось.
Исследователи изучили распады короткоживущих частиц, называемых B-мезонами, по данным, собранным с 2016 по 2018 год. Разница между частицами и античастицами составила примерно один-два случая на тысячу распадов. Однако погрешность измерений оказалась больше обнаруженного отклонения, поэтому результат не противоречит известным законам физики.
Загадка уходит к первым мгновениям существования Вселенной. Согласно современным представлениям, после Большого взрыва образовались примерно равные количества материи и антиматерии. Когда частица встречает свою античастицу, обе исчезают, превращаясь в энергию. Физики называют процесс аннигиляцией. Если бы вещества обоих типов оказалось поровну, после взаимного уничтожения почти ничего не осталось бы. Но звёзды, планеты и всё вокруг нас существуют, а значит, в ранней Вселенной по какой-то причине сохранился избыток обычной материи.
Учёные давно знают, что частицы и античастицы не всегда ведут себя одинаково. Иногда вероятность их распада различается, хотя при зеркальном отражении пространства и замене материи антиматерией физические законы должны оставаться прежними. Нарушение такого принципа называют нарушением CP-симметрии. Физики уже наблюдали подобные эффекты, но известных различий слишком мало, чтобы объяснить, куда исчезла почти вся антиматерия.
Поэтому исследователи ищут процессы, которые не укладываются в Стандартную модель, теорию, описывающую элементарные частицы и их взаимодействия. Для новой работы выбрали распады нейтральных B-мезонов, состоящих из кварка и антикварка. В данном случае теория предсказывает одинаковое поведение материи и антиматерии. Если бы измерения показали убедительную разницу, физикам пришлось бы искать пока неизвестные частицы или взаимодействия.
У выбранных мезонов есть необычное свойство. Частица способна превращаться в соответствующую античастицу и обратно несколько триллионов раз в секунду. Благодаря быстрым переходам учёные могут сравнивать распады, даже не определяя, в каком состоянии каждая частица появилась после столкновения протонов.
Главной трудностью стала точность самого оборудования. Положительно и отрицательно заряженные частицы движутся через магнитное поле по разным траекториям, а детектор регистрирует их с немного разной эффективностью. Прибор способен показать ложную асимметрию, даже если частицы и античастицы распадаются совершенно одинаково. Чтобы исключить ошибку, физики использовали компьютерное моделирование, дополнительные измерения и регулярно меняли направление магнитного поля.
После всех поправок исследователи не нашли статистически значимого отклонения от Стандартной модели. При достигнутой точности эксперимент почти наверняка обнаружил бы неизвестный процесс, вызывающий разницу более 2% в изученных распадах. Следовательно, если новая физика проявляется именно здесь, её влияние должно быть ещё слабее.
Физики продолжат поиски с помощью модернизированного детектора LHCb, который уже собрал больше данных. Дополнительные измерения позволят заметить различия, недоступные прежнему оборудованию. Пока же главный вопрос остаётся без ответа: почему в первые мгновения существования Вселенной у материи оказалось преимущество, благодаря которому появились звёзды, планеты и жизнь.