2,45% разницы, которые спасли Вселенную от полного уничтожения

Вот интересно, почему мы до сих пор существуем? Мы — это Вселенная и все, чем она наполнена. Ведь согласно законам физики, при Большом взрыве материя и антиматерия появились в равном количестве. Следовательно, они должны были уничтожить друг друга целиком и полностью, не оставив вообще ничего. Но раз я пишу эти строки, значит, что-то пошло не так.

Эта загадка десятилетиями ставила физиков всего мира в тупик, и вот теперь она наконец-то начала мало-помалу раскрываться. И ключом к разгадке стали невидимые глазу процессы, происходящие в недрах Большого адронного коллайдера.

Этой загадки вообще не должно было быть

После Большого взрыва во Вселенной появилось равное количество материи и антиматерии. Антиматерия — это «зеркало» обычной материи: ее частицы имеют те же свойства, но противоположный заряд.



Представьте, что у каждой песчинки в пустыне есть ее антиблизнец. Когда они сталкиваются, происходит аннигиляция — взрыв энергии, стирающий обе частицы. Если бы все было симметрично, Вселенная превратилась бы в пустоту. Но мы здесь — значит, баланс нарушен.

Физики десятилетиями ломали голову: куда исчезла антиматерия? Ответ искали в крошечных различиях между частицами и их «антиверсиями». Первые подсказки появились в 1964 году, когда обнаружили, что K2-мезоны (частицы, состоящие из кварков — «кирпичиков» материи) иногда распадаются несимметрично.

Новое открытие нарушало принцип CP-инвариантности: законы физики не меняются, если частицы заменить на античастицы (C-симметрия) и отразить их в зеркале (P-симметрия). Например, если в зеркальной Вселенной электрон станет позитроном (его античастицей), законы физики должны остаться прежними. Однако эксперимент показал, что порой природа может и сжульничать.

Но этого было мало, чтобы объяснить, почему материя победила. Нарушения CP-симметрии у мезонов происходили слишком редко — лишь в 0,2% случаев. Физики понимали: чтобы Вселенная наполнилась звездами и галактиками, нужны более масштабные отклонения. И они начали охоту за асимметрией в других частицах.

Охота за невидимой асимметрией

CP-нарушения нашли у мезонов, но не у барионов — «тяжелых» частиц вроде протонов и нейтронов, из которых состоит все вокруг. Это как если бы детектив нашел улики в саду, но пропустил главного преступника в доме. Чтобы раскрыть тайну антиматерии, нужно было доказать, что барионы тоже распадаются несимметрично.

Эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере (БАК) сосредоточился на прелестных лямбда-барионах (Λb) и их античастицах. Эти частицы дороже алмазов для физиков: они рождаются при столкновениях протонов в БАК, живут доли секунды, а затем распадаются на другие частицы. Как раз распад ученых и интересовал. Ведь если CP-симметрия работает, процессы должны быть идентичны.



В итоге анализу подверглось 80 000 распадов, и оказалось, что Λb и анти-Λb ведут себя по-разному. Разница была всего 2,45%, но даже ее хватило, чтобы физики заговорили о научном прорыве.

Тут следует пояснить. Это для нас, если монета подбрасывается 80 000 раз и орел выпадает на 2,45% чаще решки, отличие ничтожное. Но в мире квантовых законов эта разница представляет собой огромный дисбаланс.


— физик Винченцо Ваннони из команды LHCb.

Что это значит для нашей Вселенной?

Результаты исследования достигли уровня 5,2σ (сигма), что является золотым стандартом в современной физике. Данная цифра означает, что вероятность ошибки исследователей крайне ничтожна, меньше 0,00006%. Поэтому можно сказать с полной уверенностью: теперь у ученых есть железное доказательство, что CP-нарушения существуют не только у мезонов, но и у барионов. Это приближает нас к разгадке, почему после Большого взрыва осталась лишняя материя.



Но действующая модель физики, которая описывает частицы и их взаимодействия, все еще не в силах объяснить масштаб дисбаланса. По старой методике, даже если учесть новые данные, асимметрии во Вселенной должно быть в миллиарды раз меньше, чем нужно, чтобы галактики сформировались.

Поэтому исследователи подозревают, что за всем этим стоят неизвестные силы Вселенной, может быть, частицы, которые пока не открыты. Например, темная материя или новые виды кварков.

Ученые признаются: чем больше они находят систем с нарушением симметрии, тем яснее становится — нужна другая, новая физика. Эта во многих местах кардинально устарела.

С другой стороны, от масштабов открытия действительно перехватывает дыхание. Если проводить аналогию: физики собрали 100 пазлов и вдруг поняли, что лишь часть одной огромной картины, которой нет в коробке.

Это открытие лишь начало. Почему асимметрия такая маленькая? Какие таинственные процессы подарили нам шанс на существование? Ответы могут скрываться в данных будущих экспериментов на БАК. Уже сейчас физики готовятся к новым запускам коллайдера, где энергии столкновений будут еще выше, а детекторы — точнее.

Исследование представлено на arxiv.org 21 марта 2025 года.