W eksperymentach prowadzonych w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN naukowcy ponownie zbadali fundamentalne różnice między materią a antymaterią, rejestrując subtelne, lecz wyraźne naruszenia symetrii znanej jako CP. Badania prowadzone w detektorze LHCb, jednym z czterech głównych eksperymentów Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), pokazują, że w procesach rozpadu cząstek zawierających tzw. kwark piękny (b) i ich antycząstek pojawiają się niewielkie różnice, które mogą mieć kluczowe znaczenie dla zrozumienia, dlaczego Wszechświat jest zdominowany przez materię, a nie antymaterię.
Co oznacza łamanie symetrii CP w fizyce cząstek
Symetria CP to zasada, że prawa fizyki powinny pozostać takie same, jeśli cząstki zostaną zastąpione przez ich antycząstki (C) i jeśli układ zostanie odbity w lustrze (P). Odkrycie naruszenia tej symetrii w 1964 r. w rozpadach neutralnych mezonów K było przełomem w fizyce cząstek i przyniosło Nagrodę Nobla. Dzięki temu wiemy, że oddziaływania słabe, odpowiedzialne za wiele procesów rozpadu, nie traktują materii i antymaterii identycznie. To naruszenie symetrii CP jest jedną z koniecznych cech, które mogły doprowadzić do zatrzymania nadmiaru materii po Wielkim Wybuchu, mimo iż jego obecna ilość wyjaśniana przez znany model fizyki cząstek jest zbyt mała, by w pełni odpowiadać za obserwowany Wszechświat.
Najnowsze obserwacje w rozpadach B-mezonów
Eksperyment LHCb analizuje zderzenia protonów z ogromną energią, co pozwala wytwarzać niezwykle krótkotrwałe cząstki, takie jak mezony B⁺ i B⁻, zawierające kwark b lub jego antycząstkę. W najnowszych badaniach naukowcy porównali szczegóły rozpadu tych cząstek w konkretnych kanałach i zmierzyli, że ścieżki rozpadu materii i antymaterii nie zachowują idealnej symetrii. Różnica w częstości i charakterze rozpadów jest na tyle wyraźna, że statystycznie przekracza progi uznawane w fizyce cząstek za wiarygodne odkrycie. Oznacza to, że materia i antymateria mogą wybierać różne „ścieżki” prowadzące do tych samych produktów, co jest bezpośrednim dowodem łamania symetrii CP w tych procesach.
Najnowsze wyniki z LHCb pokazują również wpływ tzw. polaryzacji produktów rozpadu – ich wewnętrznych własności związanych ze spinem – co pomaga lepiej zrozumieć dynamikę tych rzadkich procesów. Takie obserwacje są możliwe dzięki analizie ogromnej liczby zderzeń, które dostarcza LHC.
Szerszy kontekst badań nad asymetrią materii i antymaterii
Badania prowadzone przez LHCb wpisują się w długą historię prób zrozumienia, dlaczego we Wszechświecie istnieje więcej materii niż antymaterii. Dotychczas naruszenia symetrii CP wykazywano w rozpadach różnych typów mezonów (np. z kwarkami b lub s), a także – jak niedawno ogłoszono – po raz pierwszy w rozpadach baryonów, czyli cząstek zbudowanych z trzech kwarków, podobnych do protonów i neutronów. To otwiera nowe kierunki badawcze, ponieważ baryony stanowią większość widzialnej materii we Wszechświecie, a wcześniejsze obserwacje dotyczyły głównie mezonów.
Choć standardowy model fizyki cząstek uwzględnia mechanizmy łamania symetrii CP, to skala tego efektu w znanym modelu jest zbyt mała, by samodzielnie wytłumaczyć dominację materii. Dlatego kolejne eksperymenty, jak te w LHCb, mają na celu nie tylko potwierdzanie znanych mechanizmów, lecz także poszukiwanie nowych źródeł asymetrii, które mogą wskazywać na fizykę wykraczającą poza obecne teorie.
Wkład polskich naukowców
W badaniach LHCb biorą udział również zespoły polskich instytucji naukowych, m.in. Akademii Górniczo-Hutniczej, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN oraz Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Polscy fizycy uczestniczą w analizie danych, rozwijaniu narzędzi analitycznych i kontroli jakości pomiarów. Dzięki temu polska nauka wnosi realny wkład w jedno z najważniejszych przedsięwzięć współczesnej fizyki.
