Największy akcelerator cząstek obserwuje chwilową nierównowagę między materią i antymaterią.

Największy na Ziemi akcelerator cząstek, Wielki Zderzacz Hadronów ( LHC ) w Szwajcarii, po raz pierwszy zaobserwował asymetrię między materią i antymaterią, która jest podstawą istnienia wszechświata i może ujawnić zjawiska wykraczające poza znaną fizykę.

Eksperyment LHCb zaobserwował tę nierównowagę w barionach – cząstkach składających się z trzech kwarków, podobnie jak neutrony i protony, które tworzą jądra atomów. Istoty żywe, planety, gwiazdy i galaktyki zbudowane są z tej właśnie materii, która stanowi 5% Wszechświata. To odkrycie ma kluczowe znaczenie dla weryfikacji poprawności obecnych teorii fizycznych i może utorować drogę do zrozumienia pozostałych 95% kosmosu.

Eksperyment LHCb bada rozpad cząstek elementarnych powstających w wyniku zderzenia protonów poruszających się z prędkością bliską prędkości światła w LHC. Pomimo niezrównanej mocy tego akceleratora, potrzeba było gromadzenia danych od 2011 roku – około 80 000 rozpadów barionów – aby po raz pierwszy zaobserwować niewielką nierównowagę na korzyść materii. Obserwowana asymetria wynosi średnio 2,45%, ale sporadycznie przekracza 5%. Wyniki tego eksperymentu, w którym uczestniczy 1600 naukowców z 22 krajów, zostały opublikowane dzisiaj w… Natura – punkt odniesienia dla najlepszej nauki na świecie.

Galicyjska fizyk María Vieites , lat 34, jest zastępcą koordynatora ds. fizyki w LHCb. „Nasz Wszechświat składa się z materii, a Model Standardowy nie do końca wyjaśnia, dlaczego” – wyjaśnia, odnosząc się do obecnej teorii opisującej fizykę cząstek elementarnych. Problem polega na tym, że te ramy nie opisują ciemnej materii , która stanowi około 27% Wszechświata, ani ciemnej energii, która stanowi 68% .

„Potrzebujemy nowych źródeł nierównowagi między materią i antymaterią, a dzięki tym badaniom obserwujemy te różnice w nowym obszarze, a dokładnie w typie konwencjonalnej materii, bardziej podobnej do tej, która tworzy jądra atomowe” – podkreśla badaczka z Galicyjskiego Instytutu Fizyki Wysokich Energii . „Te wyniki wymagały dużo pracy, ponieważ mówimy o bardzo, bardzo rzadkich procesach” – dodaje. Współpracownicy LHCb przeanalizowali biliony zderzeń między protonami i wyizolowali rozpady barionów lambda b, które są obiecującymi cząstkami dla tych pomiarów, wyjaśnia Vieites. „Na razie dane są prawdopodobnie zgodne z Modelem Standardowym” – przyznaje naukowiec – „ale ostatecznie wiemy, że jest on niekompletny i musi w pewnym momencie zawieść”.

Fizycy cząstek elementarnych lubią wierzyć, że natura respektuje symetrię, ale gdyby tak było, wszechświat by nie istniał. Teoria Wielkiego Wybuchu głosi, że wszechświat powstał 13,7 miliarda lat temu z identyczną ilością materii i antymaterii. Cząstki te są symetryczne, jak rzeczywisty obiekt i jego lustrzane odbicie, ale mają przeciwne ładunki, więc powinny się rozpaść w potężnym rozbłysku światła. Jednak dzisiejszy kosmos składa się niemal wyłącznie z materii barionowej, z której zbudowane są atomy, i prawie w ogóle nie zawiera antymaterii.

Pierwszy bezpośredni dowód asymetrii zaobserwowano w 1964 roku – w szczytowym okresie zimnej wojny – w największym wówczas na świecie akceleratorze cząstek, Brookhaven National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Obiekt powstał w celu badania fizyki cząstek po ogromnych inwestycjach w Projekt Manhattan , którego kulminacją był atak atomowy na Hiroszimę i Nagasaki. Wówczas rozbieżność wykryto w cząstce zwanej mezonem, składającej się z kwarku i antykwarku.

Trzy lata później rosyjski fizyk Andriej Sacharow , który opracował najpotężniejsze bomby atomowe, jakie kiedykolwiek zdetonowano na Ziemi dla Związku Radzieckiego — a później otrzymał Pokojową Nagrodę Nobla za ostrzeganie przed straszliwym potencjałem takiej broni — opracował kluczową teorię. Utrzymywał, że to asymetria barionów była odpowiedzialna za generowanie wszechświata pełnego materii. Jego propozycja implikowała, że ułamki sekund po Wielkim Wybuchu nastąpiło zjawisko znane jako naruszenie symetrii parzystości ładunku między materią i antymaterią. Na każdy miliard cząstek antymaterii przypadałby jeden miliard i jedna cząstka materii. Z tej niewielkiej nierównowagi wyłoniłby się cały obserwowalny wszechświat, w którym materia dominowałaby nad swoim przeciwieństwem. Ponieważ Sacharow postawił tę prognozę prawie 60 lat temu, nigdy nie została ona potwierdzona.

„To pierwsze zaobserwowane zjawisko w przypadku tych cząstek, a zatem jest ono ważne” – argumentuje fizyk teoretyczny Juan Antonio Aguilar . „Teoretycznie możliwe jest, że to, co zaobserwowaliśmy, to nowa fizyka [zjawiska wykraczające poza Model Standardowy], ale na razie nie da się tego udowodnić, ponieważ obliczenia są zbyt skomplikowane” – dodaje badacz z Instytutu Fizyki Teoretycznej (UAM-CSIC) w Madrycie.

Rozbieżność między materią a antymaterią przewidywana przez Model Standardowy jest znacznie mniejsza niż obserwowana we Wszechświecie. Oznacza to, że musi istnieć więcej źródeł asymetrii. Jednym z możliwych mechanizmów jest istnienie nieznanych cząstek, które zwiększają przewagę materii nad antymaterią. Wśród tych cząstek może znajdować się ciemna materia. Ruch gwiazd i galaktyk we Wszechświecie jednoznacznie wykazał istnienie tej substancji poprzez jej przyciąganie grawitacyjne. Jednakże, cząstki, z których się składa, nigdy nie powstały, prawdopodobnie ze względu na jej słabe oddziaływanie z konwencjonalną materią. Poszukiwanie ciemnej materii jest głównym celem LHC , który wkrótce rozpocznie fazę przeprojektowania w celu zwiększenia liczby zderzeń protonów, co może ostatecznie doprowadzić do odkrycia nieznanych cząstek.