Мы живем в мире, полностью состоящем из материи, а антиматерия встречается лишь в высокоэнергетических физических экспериментах и некоторых космических процессах. Почему же антиматерия не уничтожила материю? Этот вопрос остается открытым, и современные исследования стремятся дать на него все более точный ответ, сообщает «Рамблер».
Согласно господствующей модели Большого взрыва, материя и антиматерия должны были быть порождены в абсолютно равных количествах. Это следует из фундаментального принципа симметрии, предполагающего, что у каждой частицы есть античастица с противоположным зарядом, но теми же физическими свойствами. Если бы это равенство сохранялось, материя и антиматерия должны были бы тотально аннигилировать друг друга в первые доли секунды существования Вселенной, оставив после себя только фотонное излучение.
1. Нарушение CP-симметрии в распадах барионов
Одной из наиболее признанных гипотез, объясняющих исчезновение антиматерии, является нарушение CP-симметрии — принципа, согласно которому физические законы должны оставаться неизменными при одновременной замене частиц на античастицы (C) и зеркального отражения всех пространственных координат (P).
В 2024 году в результате экспериментов в Большом адронном коллайдере (CERN) ученые зафиксировали существенное нарушение CP-симметрии в распадах так называемых бьюти-лямбда-барионов — тяжелых частиц, содержащих прелестный кварк. Это открытие стало значимым, поскольку впервые нарушение CP-симметрии зафиксировали не в легких мезонах, а в барионах — тех же типах частиц, из которых состоит обычная материя, включая протоны и нейтроны.
Что случится, если столкнутся два галактических ядра
Такая асимметрия в распадах могла привести к тому, что в ранней Вселенной образовалось чуть больше материи, чем антиматерии, что и позволило ей доминировать. Подробнее об этом можно прочитать на LiveScience.
2. Квантовая запутанность и асимметрия
Другой интересный подход, предложенный в рамках гипотезы квантовой запутанности, предполагает, что различия в поведении частиц и античастиц могли быть заложены в фундаментальной структуре квантовой реальности. Предполагается, что в момент рождения Вселенной частицы и античастицы могли находиться в различных состояниях квантовой запутанности — то есть быть связанными с другими объектами квантовой системы с различной степенью корреляции.
Эти тонкие различия могли привести к тому, что антиматерия аннигилировалась быстрее или в большей степени, чем материя, оставляя последнюю доминирующей. Математическое моделирование и численные симуляции подтвердили, опубликованные на платформе Preprints.org, что подобный сценарий допустим при определенных условиях, и может быть учтен в более широкой космологической модели.
3. Гравитационное поведение антиматерии
Вопрос о том, одинаково ли материя и антиматерия взаимодействуют с гравитацией, долгое время оставался предметом дискуссий. Некоторые альтернативные теории предсказывали возможность «антигравитации», при которой антиматерия отталкивалась бы от обычной материи.
Однако в сентябре 2023 года в рамках эксперимента ALPHA-g в ЦЕРНе удалось впервые измерить поведение антиводорода — стабильной антиматерии — в гравитационном поле Земли. Результаты (ознакомиться с ними детальнее можно в материале на Phys.org) показали, что антиматерия подчиняется тем же гравитационным законам, что и обычная материя, и не демонстрирует никаких признаков антигравитационного поведения. Эти данные существенно сузили пространство возможных объяснений асимметрии, опровергнув идею, что антиматерия могла каким-либо образом «выпасть» из наблюдаемой Вселенной.
4. Перенос антиматерии для точных измерений
В 2024 году ученые из европейских исследовательских центров начали реализацию проекта по безопасному транспортировке антивещества — в частности, антиводорода — за пределы ЦЕРНа в другие лаборатории для проведения прецизионных измерений. Современные ловушки, использующие электромагнитные поля, позволяют удерживать антиматерию без аннигиляции в течение достаточно длительного времени.
Целью этих исследований является получение сверхточных данных о массах, спектрах, магнитных моментах и других характеристиках античастиц, чтобы выявить даже малейшие отличия от свойств материи. Такие различия могут оказаться ключом к объяснению асимметрии. Подробности об этом проекте — в статье The Guardian.
Подводя итог: несмотря на множество гипотез и впечатляющий прогресс в изучении антиматерии, фундаментальный вопрос — почему Вселенная состоит из материи, а не антиматерии — остается открытым. Нарушение CP-симметрии, различия в квантовой запутанности, гравитационное поведение антивещества и точные измерения его свойств — все это фрагменты сложной головоломки.
Научное сообщество продолжает искать следы исчезнувшей антиматерии в космосе, моделировать ранние стадии развития Вселенной и разрабатывать новые детекторы. Возможно, в ближайшие годы благодаря синергии теоретической физики, астрофизики и экспериментальных исследований мы приблизимся к разгадке этого космологического парадокса.
Ранее мы писали, как космический мусор угрожает Земле.
