Νέα πηγή ασυμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης. New source of asymmetry between matter and antimatter

Βήμα του CERN στην επίλυση του μεγαλύτερου «γρίφου» της συμπαντικής δημιουργίας. The LHCb experiment, shown above, has detected hints of an asymmetry between matter and antimatter in decays of particles known as lambda-b baryons. Credit: Maximilien Brice/CERN

Από την περιγραφή της ιστορίας του σύμπαντος, σύμφωνα τουλάχιστον με την καθιερωμένη θεωρία, λείπει ένα σημαντικό «κεφάλαιο», στο οποίο ούτε λίγο ούτε πολύ χρωστά την ύπαρξή του ο κόσμος που μας περιβάλλει, αλλά και εμείς οι ίδιοι.

Το «κεφάλαιο» αυτό αφορά τις πρώτες στιγμές της δημιουργίας του σύμπαντος όπου, σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής, θα έπρεπε να παράγονται ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Κάτι που, αν όντως συνέβαινε, τότε τα σωματίδια με τα αντισωματίδια θα εξαϋλώνονταν όταν θα συγκρούονταν, με συνέπεια ο κόσμος να παραμείνει μία «θάλασσα» φωτονίων.

Ωστόσο, με δεδομένο πως σήμερα το σύμπαν αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου από ύλη, αυτό σημαίνει πως οι νόμοι της φυσικής δεν ισχύουν ακριβώς με τον ίδιο τρόπο για την ύλη και την αντιύλη, αντίθετα από ό,τι προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Έτσι, οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν πού μπορεί να αποκλίνουν οι νόμοι της φύσης – ένα φαινόμενο που ονομάζεται «παραβίαση φορτίου-ομοτιμίας» («παραβίαση C-P»).

Έτσι, έπειτα από 50 χρόνια αναζήτησης, ερευνητές που εργάζονται στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN φαίνεται πως βρήκαν ενδείξεις της παραβίασης C-P σε βαρυόνια. Τα βαρυόνια είναι μία κατηγορία υποατομικών σωματιδίων όπου συγκαταλέγονται τα πρωτόνια και τα νετρόνια, και η οποία σε περίπτωση ασυμμετρίας θα μπορούσε να δικαιολογήσει την επικράτηση της ύλης στο σύμπαν.

Χρησιμοποιώντας τον ανιχνευτή του πειράματος LHCb, η ομάδα παρήγαγε τεράστιες ποσότητες από έναν συγκεκριμένο τύπο βαρυονίου (Λb0) και των αντισωματιδίων του. Στη συνέχεια, μελέτησε τη διάσπασή τους σε πρωτόνια (αντιπρωτόνια) και τρία φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται πιόνια, καθώς συγκρούονται.

«Η διαδικασία είναι εξαιρετικά σπάνια, με συνέπεια να μην έχει μελετηθεί ξανά στο παρελθόν», γράφουν στην ιστοσελίδα του LHCb. «Η μεγάλη παραγωγή αυτών των βαρυονίων στον επιταχυντή του CERN, και οι δυνατότητες του ανιχνευτή του LHCb, μας επέλεξαν να συγκεντρώσουμε ένα δείγμα περίπου 6.000 τέτοιων διασπάσεων».

The LHCb collaboration has published in Nature Physics the first evidence for the violation of the CP symmetry in baryon decays with statistical significance of 3.3 standard deviations (σ). CP violation has been observed in K and B meson decays, but not yet in any baryon decay. If the measurement is confirmed with a statistical significance of 5σ using a larger data sample, it will be the first time that an asymmetry in the decay rate of baryon and an anti-baryon is observed. In the quark model of particle physics mesons are composed of a quark and antiquark pair while baryons (anti-baryons) are composed of three quarks (anti-quarks).

Το γεγονός ότι αυτά τα σωματίδια διασπώνται σε διαφορετικά «συστατικά» είναι σημαντικό, επειδή η παραβίαση C-P θα μπορούσε να εκδηλωθεί στη διαφορά ή ασυμμετρία ανάμεσα στις ποσότητες ύλης και αντιύλης. Και αυτό ακριβώς βρήκαν οι ερευνητές.

«Τα δεδομένα από το LHCb αποκάλυψαν ένα σημαντικό αριθμό ασυμμετριών στις παραγόμενες ποσότητες, οι οποίες υποδεικνύουν τη δράση της παραβίασης C-P, σε μερικές περιπτώσεις μάλιστα με τις αποκλίσεις να φθάσουν έως και το 20%».

Αν και το αποτέλεσμα είναι σημαντικό, οι επιστήμονες προειδοποιούν πως το ποσοστό βεβαιότητας που έχει επιτευχθεί έως τώρα δεν αποκλείει πως πρόκειται για στατιστική διακύμανση. Έτσι, το επόμενο βήμα θα είναι να μελετήσουν μεγαλύτερο όγκο δείγματος, για να διαπιστώσουν αν θα επιβεβαιωθεί ή όχι το συμπέρασμά τους.

Πηγές: R. Aaij et al. Measurement of matter–antimatter differences in beauty baryon decays, Nature Physics (2017). DOI: 10.1038/nphys4021, naftemporiki.gr