Защо съществуваме? Това е може би най-дълбокият въпрос, който може да изглежда напълно извън обхвата на физиката на частиците. Но новият ни експеримент на Големия адронен колайдер в ЦЕРН ни приближи до отговора. За да разберете защо съществуваме, първо трябва да преминете преди 13,8 милиарда години, по времето на Големия взрив. Това събитие даде равно количество от веществото, от което сме направени, и антиматерия.
Смята се, че всяка частица има партньор срещу антиматерия, който е почти идентичен с нея, но има обратния заряд. Когато една частица и нейната античастица се срещнат, те унищожават - изчезват в светкавица.
Къде е цялата антиматерия?
Защо вселената, която виждаме, съставена изцяло от материя, е една от най-големите мистерии на съвременната физика. Ако някога имаше еднакво количество антиматерия, всичко във Вселената щеше да унищожи. И така, наскоро публикувано проучване изглежда е намерило нов източник на асиметрия между материя и антиматерия.
Артър Шустер пръв говори за антиматерия през 1896 г., след това през 1928 г. Пол Дирак му дава теоретична основа, а през 1932 г. Карл Андерсън го открива под формата на антиелектрони, които се наричат позитрони. Позитроните се раждат при естествени радиоактивни процеси, като разпад на калий-40. Това означава, че обикновен банан (съдържащ калий) излъчва позитрон на всеки 75 минути. След това той унищожава с електрони в материята, произвеждайки светлина. Медицински приложения като PET скенери също произвеждат антиматерия в подобен процес.
Основните градивни елементи на веществото, от което са съставени атомите, са елементарни частици - кварки и лептони. Има шест вида кварки: нагоре, надолу, странни, очаровани, истински и красиви. По същия начин има шест лептона: електрон, мюон, тау и три вида неутрино. Съществуват и антиматериални копия на тези дванадесет частици, които се различават само по своя заряд.
По принцип частиците на антиматерията трябва да бъдат идеалният огледален образ на техните нормални спътници. Но експериментите показват, че това не винаги е така. Вземете например частици, известни като мезони, които са съставени от един кварк и един антикварк. Неутралните мезони имат невероятна характеристика: те могат спонтанно да се превърнат в своя антимезон и обратно. В този процес кварк се превръща в антикварк или антикварк се превръща в кварк. Обаче експериментите показаха, че това може да се случи по-често в една посока, отколкото в друга - в резултат на това има повече материя във времето от антиматерията.
Промоционално видео:
Третият път е вълшебен
Сред частиците, съдържащи кварки, такива асиметрии бяха открити само в странни и красиви кварки - и тези открития станаха изключително важни. Още първото наблюдение на асиметрията с участието на странни частици през 1964 г. позволи на теоретиците да предскажат съществуването на шест кварка - във време, когато се знае, че съществуват само три. Откриването на асиметрията в красивите частици през 2001 г. беше окончателното потвърждение на механизма, довел до картината с шест кварка. И двете открития спечелиха Нобелови награди.
И странните, и красивите кварки носят отрицателни електрически заряди. Единственият положително зареден кварк, който на теория трябва да може да образува частици, които могат да проявяват асиметрия на материята и антиматерията, е очарованият. Теорията предполага, че той прави това, ефектът му трябва да бъде незначителен и труден за намиране.
Но експериментът LHCb на Големия адронен колайдер успя да наблюдава такава асиметрия в частици, наречени D-мезони, които са съставени от очаровани кварки - за първи път. Това става възможно благодарение на безпрецедентното количество очаровани частици, произведени директно при сблъсъци в LHC. Резултатът показва, че вероятността това да е статистическо колебание е 50 на милиард.
Ако тази асиметрия не се роди от същия механизъм, който води до асиметрията на странни и красиви кварки, има място за нови източници на асиметрия на материята-антиматерия, които биха могли да допринесат за общата асиметрия на тези във Вселената. И това е важно, тъй като няколко известни случая на асиметрия не могат да обяснят защо във Вселената има толкова много материя. Самото откриване на очарователните кварки няма да е достатъчно, за да запълни този проблем, но е важно парче от пъзела в разбирането на основните взаимодействия на частиците.
Следващи стъпки
Това откритие ще бъде последвано от увеличаване на броя на теоретичните трудове, които помагат при интерпретирането на резултата. Но по-важното е тя да очертае допълнителни тестове, за да задълбочи разбирането ни за нашето откритие - и някои от тези тестове вече са в ход.
През следващото десетилетие модернизираният LHCb експеримент ще увеличи чувствителността на такива измервания. Той ще бъде допълнен от експеримента Belle II в Япония, който едва сега започва.
Антиматерията също е в основата на редица други експерименти. Целите антиатоми се произвеждат при Antiproton Moderator на CERN и предоставят редица високо точни експерименти с измервания. Експеримент AMS-2 на борда на Международната космическа станция е в търсене на космическа антиматерия. Редица настоящи и бъдещи експерименти ще бъдат посветени на въпроса дали има асиметрия на веществото-антиматерия сред неутрино.
Въпреки че все още не можем напълно да разгадаем мистерията на асиметрията на материята и антиматерията, последното ни откритие отвори вратата към ера на прецизни измервания, които могат да разкрият все още неизвестни явления. Има всички основания да вярваме, че един ден физиците ще могат да обяснят защо изобщо сме тук.
Иля Кел
