Wszechświat mógł składać się z antymaterii lub anihilować

Wszechświat nie unicestwił się chwilę po Wielkim Wybuchu i nie uformował się z antymaterii. Nowe odkrycie w CERN na pograniczu francusko-szwajcarskim przybliża nas do odpowiedzi na fundamentalne pytanie: dlaczego materia dominuje nad swoim przeciwieństwem, czyli antymaterią?

Symetria materii i antymaterii nie jest idealna

Prawie wszystko, co nas otacza, składa się z materii, antymateria występuje w znacznie mniejszych ilościach. Materia i antymateria są niemal przeciwieństwami. Cząstki materii mają swój antymaterialny odpowiednik o tej samej masie, ale przeciwnym ładunku elektrycznym. Na przykład proton w materii jest powiązany z antyprotonem w antymaterii, a elektron (materia) z pozytonem (antymateria).

Symetria w zachowaniu materii i antymaterii nie jest idealna. W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature” zespół pracujący nad eksperymentem LHCb w CERN donosi o odkryciu różnic w tempie rozpadu cząstek materii, zwanych barionami, w porównaniu z tempem rozpadu ich odpowiedników w antymaterii. W fizyce cząstek elementarnych rozpad odnosi się do procesu, w którym niestabilne cząstki subatomowe przekształcają się w dwie lub więcej lżejszych, bardziej stabilnych cząstek.

Zgodnie z obowiązującymi modelami kosmologicznymi, w Wielkim Wybuchu powstały równe ilości materii i antymaterii. Jeśli cząstki materii i antymaterii zetkną się ze sobą, dochodzi do ich anihilacji, po której pozostaje czysta energia. Mając to na uwadze, zadziwiające jest, że Wszechświat nie składa się wyłącznie z resztek energii z tego procesu anihilacji.

Obserwacje astronomiczne pokazują, że obecnie we Wszechświecie jest znikoma ilość antymaterii w porównaniu z ilością materii. Wiemy zatem, że materia i antymateria muszą zachowywać się inaczej, wskutek czego antymateria zniknęła, a materia pozostała.

Zrozumienie, co powoduje tę różnicę w zachowaniu materii i antymaterii, pozostaje kluczowym, nierozwiązanym pytaniem. Chociaż w naszej najlepszej teorii fundamentalnej fizyki kwantowej, Modelu Standardowym, istnieją różnice między materią i antymaterią, ale są one zdecydowanie zbyt małe, aby wyjaśnić, gdzie podziała się powstała w Wielkim Wybuchu antymateria.

Muszą zatem istnieć dodatkowe cząstki elementarne, których jeszcze nie odkryliśmy, albo efekty wykraczające poza te opisane w Modelu Standardowym. Powodowałoby to wystarczająco duże różnice w zachowaniu materii i antymaterii, aby nasz Wszechświat mógł istnieć w swojej obecnej formie.

Krok w kierunku zrozumienia Wszechświata

Bardzo precyzyjne pomiary różnic między materią i antymaterią stanowią kluczowy temat badań naukowych, ponieważ potencjalnie mogą one podlegać wpływowi tych nowych cząstek fundamentalnych. Ich odkrycie pomogłoby stworzyć fizykę, która opisywałaby powstanie Wszechświata, w którym żyjemy dzisiaj.

Różnice między materią i antymaterią zaobserwowano już wcześniej w zachowaniu innego rodzaju cząstek: mezonów, które składają się z kwarka i antykwarka. Istnieją również przesłanki wskazujące na różnice w zachowaniu neutrin – ich materialnych i antymaterialnych wersji.

Eksperyment LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów ma na celu przeprowadzenie wysoce precyzyjnych pomiarów różnic w zachowaniu materii i antymaterii. Eksperyment jest realizowany przez międzynarodową grupę naukowców, składającą się z ponad 1800 osób z 24 krajów. Aby uzyskać wynik, zespół zbadał ponad 80 000 barionów (barionów „lambda-b”, które składają się z kwarku pięknego, kwarku górnego i kwarku dolnego) oraz ich antymaterialnych odpowiedników.

Odkryto, że bariony materii rozpadają się na określone cząstki subatomowe (proton, kaon i dwa piony) o 5% częściej niż odpowiedniki barionów w antymaterii. Choć różnica okazała się niewielka, to jest na tyle istotna statystycznie, że stanowi pierwszą ważną obserwację różnic w zachowaniu rozpadów barionów i antybarionów.

Wszystkie pomiary różnic między materią i antymaterią były dotychczas zgodne z Modelem Standardowym. Nowy pomiar z LHCb również jest zgodny z tą teorią, stanowi jednak istotny krok naprzód. Zaobserwowano różnice w zachowaniu materii i antymaterii w grupie cząstek, które dominują w znanej materii Wszechświata. To potencjalny krok w kierunku zrozumienia, dlaczego Wszechświat w takim kształcie powstał po Wielkim Wybuchu.

Źródło: https://www.space.com/science/particle-physics/new-discovery-at-cern-could-hint-at-why-our-universe-is-made-up-of-matter-and-not-antimatter