Vesmír je vyroben většinou z hmoty, nikoli antihmoty, ale vědci věří, že po velkém třesku musí oba existovat ve stejném množství. Jedním z velkých tajemství fyziky je pochopení toho, proč dnes dominuje hmota a co se stalo se všemi antihmoty.
Klíčové vodítko pochází z něčeho, co se nazývá porušení CP – rozdíl v chování hmoty a antihmoty.
Zatímco porušení CP bylo pozorováno u některých typů částic zvaných mesony, nikdy nebylo hlášeno u baryonů, což jsou částice (jako protony a neutrony), které tvoří většinu záležitosti kolem nás.
Na základě nových údajů nyní spolupráce LHCB v Evropě vykázala vůbec první pozorování porušení CP v baryonových rozpadech, konkrétně v částici zvané λb⁰ baryon (prohlášena „lambda bee-nuro baryon“).
Jejich zjištění byla zveřejněna v Příroda 16. července.
„Poprvé máme jasné důkazy o porušení CP u Baryonů,“ řekl Xueting Yang, odpovídající autor studie, člen týmu LHCB a doktorand na Peking University v Pekingu, řekl, Hindu. „Asymetrie asymetrie Antimater ve vesmíru vyžaduje porušení CP u baryonů, takže objev je klíčovým krokem vpřed.“
Hledáte signál
V CP znamená „C“ konjugaci náboje, což znamená, že působení s výměnou částice s jeho antipartikul. „P“ znamená paritu, což je akce převrácení prostorových souřadnic, jako je pohled do zrcadla. Symetrie CP stanoví, že pokud zaměříte částice za antičástice a podíváte se do zrcadla, měly by být fyzikální zákony stejné.
Porušení CP tedy znamená, že tato symetrie je přerušena a že fyzikální zákony jsou pro hmotu a antihmota trochu odlišné. To je důležité, protože porušení CP je nezbytnou složkou, která vysvětluje, proč je vesmír prováděn většinou hmotou.
Baryon λb⁰ je tvořen třemi menšími částicemi: kvark nahoru, kvark dolů a spodní kvark. Antipartikul λb⁰ baryonu se nazývá λb⁰-bar.
Nově hlášený výsledek se zaměřuje na specifický rozpad baryonu λb⁰: do protonu, negativně nabitého Kaona, pozitivně nabitého průkopného a negativně nabitého průkopného. To je označeno: λb⁰ → p k⁻ π⁺ π⁻.
Spolupráce také studovala stejný rozpad pro antisatikul, λb⁰-bar, ale se všemi obviněními zvrácenými.
Experiment používal data z Velký hadron Collider v CERN, konkrétně z detektoru LHCB na stroji.
Tým LHCB shromažďoval data v letech 2011 až 2018, což odpovídá velmi velkému počtu kolizí mezi paprsky protonů zrychlených na téměř rychlost světla.
V těchto srážkách se produkují λb⁰ a λb⁰-bar baryony a poté se rychle rozpadnou. Vědci LHCB hledali události, kde produkty rozpadu odpovídaly p k⁻ π⁺ π⁻.
Pro snížení šumu na pozadí – ve formě náhodných kombinací částic, které napodobují signál – použili strojové učení k odlišení skutečných rozpadů od falešných. Také použili nástroje identifikace částic na počítačích, které by mohly od sebe rozeznat protony, Kaons a PIONS.
Hlavním množstvím, které měřili, byla asymetrie CP. Srovnává počet rozpadů λb⁰ s počtem rozpadů λb⁰-bar: Pokud nedojde k porušení CP, měla by být hodnota asymetrie CP nula. V praxi změřili výnosovou asymetrii, což je rozdíl v počtu rozpadů pozorovaných pro λb⁰ a λb⁰-bar.
Existují některé účinky, které mohou napodobovat porušení CP. Například kolize proton-protonu mohou začít produkovat více λb⁰ než λb⁰-bar. U jiného by detektor LHCB na velkém hadronovém srážce mohl být o něco lepší při detekci jednoho náboje nad druhým.
Pro opravu těchto možných předpojatostí použili vědci kontrolní kanál – podobný rozpad, kde se neočekává žádné porušení CP. Zde se baryon λb⁰ rozkládá na pozitivně nabitý baryon a negativně nabitý pion: λb⁰ → λc⁺ π⁻.
Jakákoli asymetrie pozorovaná v tomto kontrolním kanálu byla považována za obtěžování a odečteno od hlavního měření.
Velký Hadron Collider je největším a nejsilnějším zrychlovačem částic na světě. Zrychluje částice, hlavně protony, na téměř rychlost světla v opačných směrech kolem 27 km podzemního prstence. Poté se částice vyrábějí ke srážce na čtyřech místech, kde masivní detektory shromažďují údaje o tom, co se děje během kolize. | Foto kredit: Cern
Mesonové, pak baryony
Vědci použili statistické metody k určení, kolik reálných λb⁰ baryon a λb⁰-bar antiparticle rozpadá detektor zaznamenaný. Poté zkontrolovali své výsledky z důvodu konzistence v různých obdobích psaní dat, nastavení detektoru a metod analýzy.
Tým tedy zjistil významný rozdíl v míře rozpadu: asi 2,45%.
Podle příspěvku je tento výsledek 5,2 standardní odchylky od nuly, což je výrazně nad statistickým prahem potřebným pro fyziky, aby si mohli nárokovat objev fyziky částic.
„Očekávalo se, že skupina LHCB má dostatek dat. Nyní to hlásí,“ řekl teoretický fyzik, fakulta University of Hawai’i a Chennai’s Institute of Mathematical Sciences, profesor Rahul Sinha Hindu.
Toto je poprvé, kdy bylo porušení CP pozorováno při rozpadu Baryon. Dříve fyzici hlásili porušení CP pouze u mesonů, částic, které jsou vyrobeny z kvarku a starožitnosti, a nikoli baryony, které jsou vyrobeny ze tří kvarků.
Výsledek odpovídá předpovědím standardního modelu, hlavní teorie fyziky částic, která říká, že porušení CP pochází z způsobu, jakým se kvarky mísí a rozpadnou.
Množství porušení CP ve standardním modelu však nestačí k vysvětlení nerovnováhy antimatující hmoty ve vesmíru.
„Pozorování porušení CP u Baryonů stále nevyřeší tajemství chybějícího antihmota vesmíru,“ řekl prof. Sinha. „Standardní model předpovídá rychlost zmizení antihmoty, která neodpovídá tomu, co vidíme ve vesmíru.“
Nové oznámení otevírá nové způsoby, jak hledat „novou fyziku“, název dosud neznámých účinků nebo částic nad rámec toho, co model předpovídá a které fyziky věří, že odhalí „úplnou“ teorii subatomických částic.
Nezapomeňte na fázi
Podle prof. Sinhy uvádí nová dokumenty pozorování porušení CP u baryonů, ale neříká, zda je množství porušení vyšší nebo nižší než částka předpovídaná standardním modelem. Zjistěte, že to vyžaduje, aby vědci určili komplexní fázi.
V souvislosti s porušením CP je komplexní fáze kombinací proměnných přítomných v matici Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), což je fyzik matematických nástrojů k pochopení toho, jak vzájemně vzájemně interagují baryon.
Pokud má komplexní fáze nenulová hodnota, znamená to, že fyzikální zákony nejsou identické pro hmotu a antihmotu, což vede k pozorovatelným rozdílům v jejich chování.
Standardní model předpovídá specifické hodnoty pro množství porušení CP, které jsou určeny velikostí a fází proměnných v matici CKM. Měřením fáze spojené s porušením CP u rozpadu baryonu mohou fyzici porovnat pozorované množství porušení s předpovědi standardního modelu.
Ve svém příspěvku vědci LHCB uvedli, že složité fázové informace se ukázaly být příliš obtížné extrahovat z údajů shromážděných detektorem.
„Dokud změříme fázi, nemůžeme říci, zda je míra zmizení antihmoty příliš vysoká nebo příliš nízká ve srovnání s předpovědí modelu,“ řekl prof. Sinha.
Stejnou techniku pro měření fáze pro mesony nelze použít pro baryony. Za tímto účelem prof. Sinha dodal, že v roce 2022 on a jeho vrstevníci Shibasis Roy a Ng Deshpande popsali nový způsob měření složité fáze pro baryony. Bylo vydáno v Fyzikální kontrolní dopisy.
Pozorování porušení CP u baryonů je důležité, protože viditelná hmota kolem nás je dnes vyrobena z baryonů. Někteří baryoni, jako jsou protony a neutrony, jsou velmi stabilní a dlouho se nerozpadnou. Jiní, jako je λb⁰, se rozpadnou v přibližně 1,5 picoseconds. Jde o to, co platí pro jednoho Baryona, by mělo platit pro všechny baryony.
„Abychom definitivně vyřešili problém asymetrie, je zapotřebí experimentální i teoretický pokrok,“ řekl Dr. Yang.
„Experimentálně, přesnější a komplexnější měření napříč různými částicovými systémy jsou zapotřebí k vytvoření koherentního a konzistentního obrazu porušování CP. Teoreticky jsou pro propojení těchto experimentálních pozorování nezbytné vylepšené výpočty a rafinované modely nezbytné pro propojení těchto experimentálních pozorování se základní fyzikou.“
Sakharovské podmínky
Jak záleží na získání ohromující horní ruky nad antihmotou ve vesmíru? Porušení CP u Baryonů je důležitou součástí této hádanky – ale také pouze jeden kus.
V roce 1967 sovětský fyzik a pozdější politický disident Andrei Sakharov uvedl, že pro vesmír bude muset být splněn tři podmínky, aby byl vesmír učiněn převážně pouze záležitostí. Jsou to:
(i) Porušení čísla baryonu: musí existovat fyzické procesy, které vytvářejí nerovnováhu mezi počtem baryonů a počtem antibaryonů.
(ii) porušení CP u baryonů
(iii) Odklon od tepelné rovnováhy: Aby se zabránilo procesům vyvážení produkce baryonu a antibaryonu, musí dojít k interakci mimo rovnováhu.
Pozorování porušení CP v Baryon Decays poskytuje „zdroj“, který přispívá k porušení CP mezi Mesony. Složitá fáze porušení Mesonu byla měřena, zatímco fáze baryonů čeká. Jakmile je známa, budou to fyziky schopni porovnat to s tím, co předpovídá standardní model.
Pokud se shodují, bude to znamenat, že standardní model je správný-ale zároveň zanechá mezeru mezi předpokládanou asymetrií asymetrií AntiMatter a který je pozorován ve vesmíru.
Pokud se hodnoty neshodují, mohlo by to být známkou „nové fyziky“, které fyziky budou muset vysvětlit pomocí nových teorií a experimentů.
Celkově je nově hlášené pozorování milníkem, který ukazuje, že zákony fyziky léčí hmotu a antihmota odlišně nejen u Mesonů, ale také v Baryonech – stavební kameny viditelného vesmíru.
