LHCb: Coraz lepiej widać różnice między antymaterią a materią

Istniejemy. Dlaczego, skoro tuż po Wielkim Wybuchu powstały równe liczby cząstek materii i antymaterii, które powinny od razu zmienić się w energię w procesach anihilacji? Za przetrwanie materii tworzącej nasz świat musiały odpowiadać jakieś subtelne różnice między nią a antymaterią. Niektóre z nich znamy od lat. Teraz międzynarodowy zespół fizyków, pracujący w ramach eksperymentu LHCb w europejskim ośrodku jądro­wym CERN, dołożył kolejną cegiełkę do tej skomplikowanej układanki, na pozór niewielką, lecz o niebagatelnym znaczeniu.

Przepis na otrzymanie antymaterii teoretycznie jest bardzo prosty. Bierzemy cząstkę zwykłej materii, zmieniamy jej ładunek na przeciwny, odbijamy lustrzanie – gotowe! Można zatem powiedzieć, że cząstki i antycząstki są symetryczne względem złożenia operacji zmiany ładunku (C) i lustrzanego odbicia (P). Jednocześnie wiemy, że początek naszemu wszechświatowi dał Wielki Wybuch. Jeśli dobrze rozumiemy to co wówczas i trochę później się wydarzyło, to z gigantycznych gęstości energii po Wielkim Wybuchu musiały powstać jednakowe liczby cząstek i antycząstek. W kontakcie ze sobą powinny one anihilować i anihilowały, zmieniając się w promieniowanie elektromagnetyczne. Jednak z jakiegoś niezrozumianego jeszcze powodu, bilans tego scenariusza się nie zgadza: po tych gwałtownych procesach kreacji i anihilacji pozostało więcej materii niż antymaterii. To materia głównie istnieje w dzisiejszym wszechświecie, my i wszystko co znamy z niej jest zbudowane. Antymateria, antycząstki, to zupełna rzadkość.

Naukowcy sądzą, że wyjaśnieniem tej zagadki – zagadki naszego istnienia – jest minimalna „niedoskonałość” symetrii pomiędzy materią a antymaterią, powodująca, że niektóre procesy z udziałem cząstek przebiegają trochę inaczej niż analogiczne procesy z udziałem ich partnerów o przeciwnych znakach i przeciwnej parzystości. Nazywają to łamaniem symetrii CP i próbują zaobserwować elementarne procesy, w których tę asymetrię można by dostrzec, zbadać dokładnie i w efekcie poznać jej naturę. Atrakcyjnym obiektem do takich badań są mezony.

Mezony, to cząstki nietrwałe, ale żyjące na tyle długo, że można badać ich własności. Pierwsze mezony (piony) odkryto w pierwszej połowie XX w. w promieniowaniu kosmicznym, a wcześniej zapostulowano ich istnienie teoretycznie. Dziś wiemy, że zbudowane są one z pary kwark i antykwark, a ponieważ samych kwarków mamy 6 rodzajów (fizycy mówią o sześciu zapachach, co nie ma absolunie nic wspólnego z wrażeniami węchowymi życia codziennego!), to kombinacji prowadzących do różnych mezonów jest naprawdę wiele. Każdy mezon ma też oczywiście swoją antycząstkę, w której odpowiednie kwarki i antykwarki zamienione są swymi antypartnerami.

Łamanie symetrii CP w rozpadach neutralnych kaonów, czyli mezonów z kwarkiem i antykwarkiem górnym oraz dziwnym, zaobserwowano ponad pół wieku temu i doceniono Nagrodą Nobla. Dwadzieścia lat temu łamanie symetrii zauważono także wśród mezonów zawierających kwark piękny. Zagadką pozostawały między innymi mezony z kwarkiem powabnym, który pod względem masy plasuje się między kwarkiem dziwnym a pięknym.

„Do tej pory nie potrafiliśmy bezpośrednio i z odpowiednią precyzją zmierzyć, jak łamanie symetrii CP przejawia się w rozpadach mezonów powabnych. Wyniki analiz zaprezentowane na właśnie zakończonej konferencji fizyki wielkich energii ICHEP w Bolonii znakomicie wypełniają tę lukę”, mówi prof. dr hab. Wojciech Wiślicki z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

Najnowsze wyniki to rezultat szczegółowych analiz około pięćdziesięciu milionów przypadków z rozpadami mezonów powabnych D0 na dodatnio i ujemnie naładowane kaony. Rozpady te rejestrowano przez kilka lat podczas zderzeń protonów w detektorze LHCb działającym przy Wielkim Zderzaczu Hadronów w ośrodku CERN pod Genewą. Część obliczeń związanych z obróbką danych przeprowadzono w Centrum Informatycznym Świerk.

„Tak naprawdę łamanie symetrii przestrzenno-ładunkowej w rozpadach mezonów powabnych po raz pierwszy zauważono w eksperymencie LHCb już trzy lata temu” – wyjaśnia dr Artur Ukleja (NCBJ). „Jednak w przeciwieństwie do obecnego pomiaru, ówczesny nie sugerował tak jasno możliwych różnych asymetrii materia-antymateria między rozpadami mezonów powabnych na pary kaon-antykaon, a rozpadami na pary pion-antypion”.

Najnowsze rezultaty eksperymentów w detektorze LHCb w kluczowy sposób uzupełniają naszą wiedzę o różnicach między materią a antymaterią. Model Standardowy narzuca bowiem ograniczenia na łamanie symetrii między materią a antymaterią. Gdyby zaobserwowano procentowo zbyt dużą liczbę takich zjawisk, byłby to rezultat niezgodny z przewidywaniami Modelu Standardowego, sygnalizujący istnienie nowej fizyki.

„Z przedstawionych w Bolonii danych wynika, że do łamania symetrii CP w przypadku mezonów powabnych dochodzi rzadko” - podsumowuje prof. Wiślicki. „Właśnie takiego wyniku spodziewali się teoretycy. Zatem Model Standardowy, używany do opisu cząstek elementarnych i ich oddziaływań, kolejny raz potwierdził swoją siłę. I to jest niezwykle intrygujące, ponieważ wiemy z całą pewnością, że nie opisuje on rzeczywistości w sposób kompletny.”

Niestety, rozbieżność między ilością materii obserwowanej we Wszechświecie a przewidywaniami naszych modeli kosmologicznych pozostaje widoczna nawet po uwzględnieniu najnowszych wyników. Najwyraźniej nadal nie wiemy o antymaterii czegoś bardzo istotnego. Kolejne wskazówki pozwalające rozwikłać tę zagadkę być może uda się zauważyć w ramach właśnie rozpoczętego kolejnego etapu zderzeń cząstek w akceleratorze LHC.

Polecamy także uwadze informacje w języku angielskim:

na stronie eksperymentu LHCb - https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2022/07/13/the-first-evidence-for-cp-v...

w czasopiśmie CERNCOURIER - https://cerncourier.com/a/lhcb-digs-deeper-in-cp-violating-charm-decays/

INFORMACJE UZUPEŁNIAJĄCE:

Naszą materię tworzą głównie protony i neutrony powiązane w jądrach atomowych, które są otoczone elektronami. W przeciwieństwie do elektronów, protony i neutrony nie są cząstkami elementarnymi, lecz niezwykle dynamicznymi zlepkami trójek kwarków: proton dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, neutron dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. W opisującym budowę materii i jej oddziaływań Modelu Standardowym istnieją trzy rodziny kwarków. W kolejności rosnących mas, należą do nich: górny i dolny, dziwny i powabny oraz piękny i prawdziwy. Elektrony wraz z powiązanymi z nimi neutrinami elektronowymi tworzą jedną z trzech rodzin leptonów. Bardziej masywne są miony i neutrina mionowe, najbardziej masywne - taony i neutrina taonowe. Wszystkie cząstki materii mają w Modelu Standardowym swoje antymaterialne odpowiedniki.