Dlaczego we wszechświecie jest tak dużo materii i tak mało antymaterii?

W świecie fizyki wysokich energii rzadko zdarza się odkrycie, które można nazwać przełomowym. Jednak naukowcy z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN) właśnie takiego dokonali. Po raz pierwszy w historii udało im się zaobserwować, że cząstka materii należąca do tej samej rodziny co proton – podstawowy składnik jąder atomowych – zachowuje się zupełnie inaczej niż jej odpowiednik antymaterii.

Odkrycie to może pomóc wyjaśnić jedną z największych zagadek współczesnej fizyki: dlaczego wszechświat składa się niemal wyłącznie z materii, podczas gdy antymaterii jest tak niewiele. Problem ten, znany jako asymetria barionowa wszechświata, stanowi fundamentalne wyzwanie dla naszego rozumienia praw fizyki.

Zgodnie z większością praw fizyki, materia i antymateria powstały jednocześnie podczas Wielkiego Wybuchu i powinny zachowywać się identycznie. Gdyby tak rzeczywiście było, cząsteczki materii i antymaterii dawno uległyby wzajemnej anihilacji, zamieniając się w promieniowanie. Wszechświat byłby wówczas pustą przestrzenią wypełnioną jedynie energią, bez możliwości powstania gwiazd, planet czy życia.

Ale rzeczywistość jest inna – materia istnieje, a my sami jesteśmy jej dowodem. To sugeruje, że musiała wystąpić jakaś fundamentalna różnica między materią i antymaterią, która doprowadziła do przewagi tej pierwszej.

Odkrycie zostało dokonane podczas eksperymentu w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN, największym na świecie akceleratorze cząstek, położonym w pobliżu Genewy w Szwajcarii. Wyniki zaprezentowano na konferencji Rencontres de Moriond we włoskiej miejscowości La Thuile i opublikowano na serwerze preprintów arXiv.

Badacze skupili się na barionach – rodzinie cząstek, do której należą też protony i neutrony, a które składają się z trzech kwarków. Bariony stanowią większość widocznej materii we wszechświecie, dlatego zrozumienie ich właściwości jest kluczowe dla wyjaśnienia struktury naszego świata.

Szczególną uwagę naukowcy poświęcili tzw. pięknemu barionowi lambda (Λ0b) i jego antycząstce. Ten egzotyczny barion zawiera trzy kwarki: górny (u), dolny (d) oraz piękny (b), przy czym ten ostatni jest znacznie cięższy od pozostałych i nadaje cząstce unikalne właściwości.

Zespół przeanalizował dane z lat 2009–2018 dotyczące rozpadu pięknego barionu lambda na proton i trzy mezony – lekkie, niestabilne cząstki zbudowane z pary kwark-antykwark. Naukowcy odkryli subtelne, ale istotne różnice między szybkością rozpadu barionu materii i jego odpowiednika antymaterii.

Dowody na tę różnicę były niezwykle przekonujące. Fizycy obliczyli, że prawdopodobieństwo przypadkowego wystąpienia takiej rozbieżności wynosi mniej niż 1 do 3 milionów. To oznacza, że odkrycie ma solidne podstawy statystyczne i nie jest wynikiem błędu pomiarowego.

Image

Według Tima Gershona, fizyka teoretycznego z University of Warwick w Wielkiej Brytanii, jednego z uczestników eksperymentu i współautora artykułu na temat LHC, odkrycie to stanowi „kamień milowy" w badaniach nad różnicami między materią i antymaterią.

Odkrycie wpisuje się w zjawisko znane jako naruszenie CP (ładunku i parzystości), które fizycy znają od lat 60. XX wieku. Naruszenie CP oznacza, że pewne oddziaływania, szczególnie oddziaływanie słabe (jedno z czterech podstawowych oddziaływań natury), traktują materię i antymaterię w nieco odmienny sposób.

Jest to jedyny znany mechanizm, który może pomóc wyjaśnić nierównowagę między materią i antymaterią we wszechświecie. Do tej pory zjawisko to zaobserwowano jednak tylko w mezonach – innej grupie cząstek składających się z dwóch kwarków.

Jednym z powodów, dla których tak długo nie udawało się zaobserwować naruszenia CP w barionach, jest fakt, że trudniej je wytworzyć w zderzaczach cząstek niż mezony. Bariony są bardziej złożone i wymagają większej energii do produkcji, a ich rozpad jest trudniejszy do dokładnego zmierzenia.

Choć nowe odkrycie nie rozwiązuje ostatecznie tej zagadki, stanowi ważny krok naprzód. Potwierdzenie, że bariony materii i antymaterii zachowują się różnie, jest zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego – obecnej najlepszej teorii opisującej cząstki elementarne i oddziaływania między nimi. Jednocześnie otwiera drzwi do głębszego zrozumienia, w jaki sposób te drobne różnice mogły doprowadzić do wszechświata, jaki znamy.

Naukowcy zamierzają kontynuować badania z wykorzystaniem większej ilości danych, które pozwolą na jeszcze dokładniejsze pomiary rozpadu barionów. Przyszłe eksperymenty w LHC, a także w innych akceleratorach na całym świecie, mogą dostarczyć kolejnych elementów układanki, przybliżając nas do rozwiązania jednej z największych zagadek współczesnej fizyki.