Почему во Вселенной так много материи, и так мало антиматерии

Физики ЦЕРНа впервые увидели, что частица материи из того же семейства, что и протон, ведет себя совершенно иначе, чем ее близнец-античастица. Это открытие, которое соответствует Стандартной модели физики элементарных частиц, может помочь исследователям в объяснении того, почему практически вся Вселенная состоит из материи, а антиматерии так мало.

Различие между количеством материи и антиматерии во Вселенной создает проблему для физиков: если материя и антиматерия были созданы одновременно во время Большого взрыва и вели себя одинаково, как предполагает большинство физических законов, то трудно объяснить наличие материи сегодня. Если бы количество частиц и античастиц было примерно одинаковым, за время существования Вселенной они бы уже давно аннигилировали и превратились в излучение. Но материя есть, и мы из нее состоим.

Физики ЦЕРНа впервые увидели, что частица материи из того же семейства, что и протон, ведет себя совершенно иначе, чем ее близнец-античастица. Это открытие, которое соответствует Стандартной модели физики элементарных частиц, может помочь исследователям в объяснении того, почему практически вся Вселенная состоит из материи, а антиматерии так мало.

«Я лично очень взволнован этим измерением», — говорит Юваль Гроссман, физик-теоретик из Корнеллского университета. Это открытие само по себе не может объяснить доминирование материи над антиматерией, но «это еще один кусочек головоломки», — говорит физик.

Открытие, полученное в ходе эксперимента на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, европейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария, было представлено на конференции Rencontres de Moriond в Ла-Тюиле, Италия и размещено на сервере препринтов arXiv.

Понимание различий между материей и антиматерией — частицами одинаковой массы, но противоположного заряда — важно для объяснения состава Вселенной. Когда два типа частиц встречаются, они аннигилируют. Необходимо отметить, что «заряд» — это необязательно электрический заряд. Это может быть, например, барионный заряд, который у таких электрически нейтральных частиц как красивый лямбда-барион и его античастица противоположен, и при столкновении они тоже аннигилируют.

Обычная материя

Фотография частицы антивещества (бледно-голубой), встретившейся с частицей материи и аннигилировавшей.
Science Photo Library

Хотя между некоторыми типами материи и антиматерии наблюдались определенные крошечные различия в поведении, они никогда не наблюдались в барионах — частицах, которые составляют большую часть видимой материи Вселенной. Барионы состоят из трех кварков (протоны и нейтроны — это как раз барионы).

В новой работе исследователи наблюдали тонкие различия между скоростями распада красивого лямбда-бариона и его античастицы. Команда проанализировала данные с 2009 по 2018 год по распаду этих барионов на протон и три мезона — легкие, нестабильные частицы, состоящие из двух кварков.

Доказательства разницы в скорости распада между версиями материи и антиматерии красивого лямбда-бариона оказались очень значительными. Физики подсчитали, что вероятность такого расхождения, возникающего случайно, составляет менее 1 к 3 миллионам.

Открытие является «важной вехой», говорит Тим Гершон, физик-теоретик из Уорикского университета (Великобритания), один из участников эксперимента и соавтор работы на БАК..

Долгожданное явление

Иллюстрация распада красивого лямбда-бариона Λ0b (он состоит из трех кварков: u — верхнего, d — нижнего, b — красивого) в рр-столкновении и распада в конечное состояние pK-π+π-. Две вставные диаграммы слева иллюстрируют фундаментальные процессы на уровне кварков древовидного и петлевидного типов, которые опосредуют распад Λ0b → pK-π+π-, где кварки в конечном итоге образуют p-, K-, π+ и π- адроны, обнаруженные в эксперименте БАК.
https://arxiv.org/abs/2503.16954

Открытие может дать новое представление о том, почему существует доминирование материи над антиматерией — «одна из главных загадок в физике элементарных частиц», говорит Тара Ширс, физик-теоретик из Ливерпульского университета (Великобритания), которая также работает над экспериментом БАК.

Физикам известно с 1960-х годов, что некоторые различия в поведении материи и антиматерии проявляются в определенных взаимодействиях, включающих слабое взаимодействие, одну из четырех фундаментальных сил природы. Это явление, известное как нарушение CP-симметрии, является частью Стандартной модели и единственным известным механизмом, помогающим объяснить дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной. Но оно наблюдалось только у мезонов.

Физики ожидали обнаружить подобное несоответствие в барионах,но долгое время не могли его найти. «Куда бы мы ни смотрели, мы не могли найти никакого существенного эффекта нарушения CP-симметрии на барионах», — говорит Гершон.

Одна из причин, по которой это заняло так много времени, чтобы наблюдать в барионах, заключается в том, что их сложнее создать в коллайдерах, чем мезоны. Но несоответствие между материей и антиматерией в барионах также, по-видимому, намного меньше, чем в мезонах, говорит Гершон. Почему — неясно, говорит ученый. «Это дает нам что-то интересное для исследования».