Большой взрыв должен был создать равное количество вещества и антивещества в ранней Вселенной, которые бы уничтожили друг друга. Но почему этого не произошло?
Вся видимая материя во Вселенной состоит из фундаментальных строительных блоков – элементарных частиц. В семейство, известное как фермионы, входит два типа: кварки и лептоны. Для каждой из них существует античастица, которая имеет те же свойства, но противоположный заряд. Самый известный пример – электрон и позитрон. Долгое время считалось, что античастицы будут вести себя так же, как их противоположности, однако с 1960-х годов мы знаем – кварки и антикварки нарушают эту зеркальность. Теперь в исследовании, приставленном в журнале Nature, сообщается о возможном нарушении симметрии со стороны лептонов.
Идея зеркальной симметрии частиц с античастицами, также известной как CP-симметрия (комбинированная четность), заключается в том, что физические законы не должны меняться в мире антивещества. Но почему ученые постоянно пытаются зафиксировать ее нарушение, и каковы этому последствия?
Почти 265 тысяч галактик, сфотографированных космическим телескопом «Hubble» в этой области неба за 250 дней наблюдений в течение 16 лет. Credit: NASA, ESA, G. Illingworth and D. Magee (University of California, Santa Cruz), K. Whitaker (University of Connecticut), R. Bouwens (Leiden University), P. Oesch (University of Geneva), and the Hubble Legacy Field team.
Этот вопрос лежит в основе нашего понимания законов природы и эволюции Вселенной. Как было предложено советским физиком-теоретиком Андреем Сахаровым в 1967 году, нарушение CP-симметрии является одним из ключевых ингредиентов, необходимых для объяснения, почему во Вселенной существует небольшой избыток материи по сравнению с антивеществом. Этот дисбаланс, на уровне нескольких частиц на 10 миллиардов фотонов, в конечном итоге несет ответственность за существование Земли, планет, звезд и нас самих: если бы количество вещества и антивещества было бы одинаковым, они бы уничтожили друг друга вскоре после Большого взрыва, аннигилировав в фотоны. Материи бы не осталось.
Так как же этот крошечный избыток материи возник в ранней Вселенной, которая была совершенно симметричной? Количество нарушений CP-симметрии, наблюдаемое у кварков, недостаточно для ее объяснения, однако считается, что обнаружение асимметрии в физических свойствах нейтрино и антинейтрино поможет понять происхождение текущего преобладания вещества над антивеществом.
В рамках проекта «Tokai to Kamioka» (T2K) международная команда ученых изучает нейтрино, одну из фундаментальных частиц, составляющих Вселенную, и одну из наименее понятых. Каждую секунду триллионы нейтрино от Солнца проходят через ваше тело. Эти крошечные частицы, обильно образующиеся в звездах, бывают трех видов, или ароматов, и могут самопроизвольно меняться или колебаться от одного к другому.
И теперь, после анализа данных за девять лет, эксперимент T2K достиг уровня статистической значимости, достаточно высокого, чтобы указать на нарушение симметрии у этих фундаментальных частиц с вероятностью 95 процентов. Хотя для подтверждения полученных результатов необходимы более точные измерения, данные усиливают поддержку предыдущих наблюдений и прокладывают путь к будущему открытию. Новое поколение детекторов, находящихся в стадии разработки, могут дать ответ на проблему «пропавшего» антивещества в ближайшие десять лет.
