Visatos esminė asimetrija: naujausi CERN atradimai paaiškina materijos ir antimedžiagos disbalansą

Įvadas: Visatos fundamentalios asimetrijos paslaptis

Dešimtmečius fizikai siekė atsakyti į vieną iš svarbiausių mokslo klausimų: kodėl Visata egzistuoja tokia, kokią matome, o ne išnyko susidūrus ir anuliavusis materijai su antimedžiaga? Svarbus proveržis Europos branduolinių mokslinių tyrimų organizacijoje (CERN) gali suteikti naujų įžvalgų. Didžiajame hadronų greitintuve (LHC) vykdyti eksperimentai atskleidė esminius materijos ir antimedžiagos barionų elgsenos skirtumus – tai reikšmingai gilina mūsų supratimą apie fizikos dėsnius, valdančius kosmosą ir mūsų egzistencijos ištakas.

Mokslinis kontekstas: Materijos ir antimedžiagos mįslė

Antimedžiaga, dažnai klaidingai pristatoma kaip kažkas egzotiško ar pavojingo, iš esmės susideda iš subatominių dalelių, kurios yra veidrodiniai materijos dalelių atvaizdai, skiriami tik priešingo elektrinio krūvio. Susidūrus materijai ir antimedžiagai, jos viena kitą sunaikina, išskirdamos energiją. Pagal Didžiojo sprogimo teoriją, turėjo susiformuoti vienodas materijos ir antimedžiagos kiekis. Jei gamta būtų visiškai simetriška, šie kiekiai būtų tarpusavyje anuliavęsi ir Visata būtų likusi praktiškai tuščia.

Tačiau mūsų Visata pilna žvaigždžių, planetų, galaktikų ir gyvybės – akivaizdus ženklas, kad materija laimėjo prieš antimedžiagą. Šis gluminantis disbalansas, vadinamas materijos ir antimedžiagos asimetrija, yra pagrindinė paslaptis kosmologijoje ir dalelių fizikoje. Mokslininkai ilgą laiką manė, kad už subtilių fizikos dėsnių skirtumų slypi reiškinys, vadinamas krūvio-pariteto (CP) pažeidimu, kuris ir galėjo nulemti šį būtį.

Naujausi LHC eksperimentai: CP pažeidimo aptikimas barionuose

CP pažeidimas atsiranda tuomet, kai fizikos dėsniai materiją ir antimedžiagą traktuoja skirtingai, įvertinant dalelių krūvį ir erdvinę orientaciją. Iki šiol aiškus CP pažeidimas buvo stebėtas tik vienoje dalelių grupėje – mezonuose. Vis dėlto teoriniai modeliai prognozavo, kad CP pažeidimas turėtų būti aptinkamas ir barionuose – dalelėse, kurias sudaro protonai ir neutronai, ir kurios sudaro didžiąją Visatos materijos dalį.

Atlikdami išskirtinį tyrimą, CERN mokslininkai išanalizavo apie 80 000 dalelių irimo įvykių, užfiksuotų LHC nuo 2011 iki 2018 metų, tirdami vadinamąją lambda-gražiąją dalelę (Λb) bei jos antimedžiagos atitikmenį. Eksperimentų tikslas buvo nustatyti, ar šios dalelės suyra visiškai vienodai, kaip to tikėtųsi CP simetrija.

Rezultatai nustebino – Λb ir anti-Λb barionų irimo eigoje buvo užfiksuotas 2,5 procento santykinis skirtumas, kas žymi reikšmingą CP pažeidimą už mezonų sektoriaus ribų. Kaip pabrėžė CERN fizikė dr. Xueting Yang, „šių skirtumų egzistavimas rodo, kad subtilūs materijos ir antimedžiagos skirtumai pasireiškia platesniame dalelių spektre, o Visatos dėsniai skirtingai traktuoja barionus ir antibarionus“.

Statistinis tikrumas ir mokslinis poveikis

Gauti rezultatai pasižymėjo 5,2 sigma statistiniu reikšmingumu – tai eksperimentinėje fizikoje atitinka tikimybę vos vieną iš dešimties milijonų, kad duomenų svyravimai yra atsitiktiniai. Toks užtikrintumas labai svarbus, kad rezultatus pripažintų pasaulinė mokslininkų bendruomenė.

Teorinė reikšmė: Standartinio modelio ribos ir galimybės

Šis atradimas turi reikšmingą poveikį dalelių fizikos pamatams. Standartinis modelis – pagrindinė subatominių dalelių ir jų sąveikos teorija – prognozuoja tam tikrą CP pažeidimą, tačiau jo nepakanka paaiškinti, kodėl materija dominuoja Visatoje. Kaip aiškina dr. Yang, „CP pažeidimas būtinas siekiant paaiškinti, kodėl Visata yra kupina materijos, tačiau Standartinio modelio prognozės yra nepakankamos. Tai aiškiai rodo, kad egzistuoja nauji, dar neatrasti fizikos dėsniai, lemiantys papildomą CP pažeidimą“.

Fizikai taip pat tikrina kitus spėjimus, pavyzdžiui, ar antimedžiaga skirtingai veikia gravitacijos lauke. Ankstesni CERN eksperimentai parodė, kad antimedžiaga, kaip ir materija, gravitacijos sąlygomis krinta žemyn, tad gravitacinio CP pažeidimo neaptikta. Vis dėlto naujai aptiktas CP pažeidimas barionų irimuose atveria naujas galimybes testuoti šiuolaikinės teorijos ribas.

Platesnė reikšmė ir ateities perspektyvos

Nors aptiktas CP pažeidimas barionuose dera su Standartinio modelio prognozėmis, jis vis dar nepaaiškina didelio materijos dominavimo. Visgi šis atradimas ženkliai praplečia paiešką – dabar CP asimetrija tiriama ir barionų, anksčiau mažai tyrinėtoje, srityje.

Tobulėjant eksperimentiniams metodams LHC, ateityje galime tikėtis užfiksuoti dar ryškesnius CP pažeidimo šaltinius naujose dalelių irimuose. Tokie atradimai galėtų pralenkti Standartinį modelį ir atskleisti esmines užuominas apie ankstyvus Visatos momentus, atverdami kelią visiškai naujai fizikinei paradigmoms.

„Naujausias rezultatas atveria naują langą į tai, kaip CP pažeidimas pasireiškia barionuose, – pastebi dr. Yang. – Fizikai dabar aktyviai ieško papildomų, netikėtų CP pažeidimo šaltinių, kurie galėtų padėti galutinai išspręsti materijos ir antimedžiagos asimetrijos mįslę. Jų atradimas galėtų iš esmės pakeisti mūsų supratimą apie Visatos pagrindinius dėsnius.“

Išvada

Šis svarbus atradimas CERN Didžiajame hadronų greitintuve priartino mokslininkų bendruomenę prie vienos iš didžiausių Visatos paslapčių išsprendimo – kodėl egzistuojame. Pirmą kartą užfiksavus akivaizdų CP pažeidimą barionuose, fizikai žengė esminį žingsnį suprantant, kaip atsirado materijos ir antimedžiagos asimetrija. Nors paslaptis dar neišspręsta, kiekvienas toks proveržis, kaip šis, praplečia mūsų žinias apie egzistencijos pagrindus ir žadina viltį netrukus atskleisti dar gilesnius gamtos dėsnius.