Oto naukowy odpowiednik zabawy w „znajdź 10 różnic między obrazkami”: szukanie różnic między materią i antymaterią. Stawka w tym zadaniu jest duża: to odpowiedź na pytanie, dlaczego istniejemy. Teraz w eksperymencie LHCb w CERN badacze znaleźli kolejną (choć jeszcze nie ostatnią) różnicę.
Tuż po Wielkim Wybuchu – jak można przypuszczać – powstać powinny równe liczby cząstek materii i antymaterii. Cząstka ma przeciwny ładunek i jest lustrzanym odbiciem swojej antycząstki. A kiedy te dwie się spotkają – dochodzi do anihilacji. Wydawałoby się, że wszystkie cząstki i antycząstki powinny od razu zmienić się w energię w procesach anihilacji. Ale tak się nie stało, bo przecież istniejemy my, wszechświat… i cała reszta. A składamy się przecież z materii. Antymateria jest czymś znacznie rzadszym.
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. O badaniach tych informują przedstawiciele Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku w komunikacie przesłanym PAP.
Atrakcyjnym obiektem do badań nad tzw. łamaniem symetrii CP są mezony.
Mezony to cząstki nietrwałe – ale żyjące na tyle długo, że można badać ich własności. Pierwsze mezony (piony) zaobserwowano w pierwszej połowie XX w. w promieniowaniu kosmicznym. 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 jednak absolutnie 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. Wojciech Wiślicki z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), cytowany w komunikacie swojego instytutu. Wyniki są dostępne na stronie LHCb.
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 w komunikacie 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”.
Fizycy komentują, że 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. Na tyle rzadko, że wyniki te nie stoją w sprzeczności z Modelem Standardowym opisującym cząstki elementarne i ich oddziaływania.
Fizycy tłumaczą jednak, że rozbieżność między ilością materii obserwowanej we Wszechświecie a przewidywaniami naszych modeli kosmologicznych pozostaje widoczna nawet po uwzględnieniu najnowszych wyników. Nie jest to więc jeszcze ostatnia różnica między materią a antymaterią. Zagadka wciąż nie ma więc jednak pełnej odpowiedzi. „Kolejne wskazówki pozwalające rozwikłać tę zagadkę być może uda się zauważyć w ramach właśnie rozpoczętego kolejnego etapu zderzeń cząstek w akceleratorze LHC” – mają nadzieję fizycy.
Źródło: Serwis Nauka w Polsce – www.naukawpolsce.pap.pl
