Kāpēc mēs eksistē? Tas, iespējams, ir visdziļākais jautājums, kas var šķist pilnīgi ārpus daļiņu fizikas darbības jomas. Bet mūsu jaunais eksperiments lielajā hadronu sadursmē CERN ir tuvinājis atbildi. Lai saprastu, kāpēc mēs esam, vispirms jums jāiet pirms 13,8 miljardiem gadu, Lielā sprādziena laikā. Šis notikums radīja vienādu daudzumu vielas, no kuras mēs esam izgatavoti, un antimatēriju.
Tiek uzskatīts, ka katrai daļiņai ir antimatērijas partneris, kas tai ir gandrīz identisks, bet kurai ir pretēja maksa. Kad daļiņa un tās daļiņas satiekas, tās iznīcina - pazūd gaismas uzliesmojumā.
Kur ir viss antimateriāls?
Kāpēc visums, kuru mēs redzam, sastāv tikai no matērijas, ir viens no lielākajiem mūsdienu fizikas noslēpumiem. Ja reiz būtu bijis vienāds daudzums antimateriāla, viss Visumā iznīcinātos. Un tā, nesen publicēts pētījums, šķiet, ir atradis jaunu asimetrijas avotu starp matēriju un antimatēriju.
Artūrs Šusters pirmais runāja par antimatēriju 1896. gadā, pēc tam 1928. gadā Pols Diraks tam sniedza teorētisko bāzi, un 1932. gadā Kārlis Andersons to atklāja antielektronu veidā, kurus sauc par pozitroniem. Positroni rodas dabiskos radioaktīvos procesos, piemēram, kālija-40 sabrukšanas laikā. Tas nozīmē, ka parasts banāns (satur kāliju) ik pēc 75 minūtēm izstaro pozitronu. Pēc tam tas iznīcina matērijā esošos elektronus, radot gaismu. Medicīnas lietojumi, piemēram, PET skeneri, līdzīgā procesā rada arī antimateriālu.
Vielas, no kuras sastāv atomi, galvenie celtniecības bloki ir elementārdaļiņas - kvarki un leptoni. Ir seši kvarku veidi: augšā, lejā, savādi, apburoši, patiesi un skaisti. Tāpat ir seši leptoni: elektronu, muonu, tau un trīs veidu neitrīno. Ir arī šo divpadsmit daļiņu antimateriālas kopijas, kas atšķiras tikai pēc to uzlādes.
Antimateriāla daļiņām principā vajadzētu būt perfektam parasto pavadoņu spoguļattēlam. Bet eksperimenti rāda, ka tas ne vienmēr notiek. Ņem, piemēram, daļiņas, kuras sauc par mezoniem, kuras veido viena kvarka un viena antikvarka. Neitrālajiem mezoniem ir pārsteidzoša īpašība: tie var spontāni pārvērsties par anti-mezoniem un otrādi. Šajā procesā kvarks pārvēršas par antikvarku vai antikvarks pārvēršas par kvarku. Tomēr eksperimenti parādīja, ka tas var notikt biežāk vienā virzienā nekā otrā - kā rezultātā laika gaitā ir vairāk matēriju nekā antimatērija.
Reklāmas video:
Trešā reize ir maģiska
Starp daļiņām, kas satur kvarkus, šāda asimetrija tika konstatēta tikai dīvainos un skaistos kvarkos - un šie atklājumi kļuva ārkārtīgi svarīgi. Pats pirmais asimetrijas novērojums, kurā iesaistītas dīvainas daļiņas, 1964. gadā ļāva teorētiķiem paredzēt sešu kvarku esamību - laikā, kad bija zināms tikai trīs. Asimetrijas atklāšana skaistās daļiņās 2001. gadā bija galīgais apstiprinājums mehānismam, kas noveda pie sešu kvarku attēla. Abi atklājumi nopelnīja Nobela prēmijas.
Gan dīvaini, gan skaisti kvarki nes negatīvus elektriskos lādiņus. Vienīgais pozitīvi uzlādētais kvarks, kuram teorētiski vajadzētu spēt veidot daļiņas, kurām var būt matērijas un antimatērijas asimetrija, ir apburošais. Teorija liecina, ka viņš to dara, viņa ietekmei vajadzētu būt nenozīmīgai un grūti pamanāmai.
Bet LHCb eksperiments liela hadronu sadursmē pirmo reizi varēja novērot tādu asimetriju daļiņās, kuras sauc par D-mezoniem, kuras sastāv no apburošajiem kvarkiem. Tas ir iespējams, pateicoties nepieredzētam daudzumam iekaroto daļiņu, kas tieši rodas sadursmēs LHC. Rezultāts parāda, ka varbūtība, ka tā ir statistiska svārstība, ir 50 uz miljardu.
Ja šī asimetrija nav dzimusi no tā paša mehānisma, kas noved pie dīvainu un skaistu kvarku asimetrijas, ir vieta jauniem matērijas-antimatērijas asimetrijas avotiem, kas varētu pievienot vispārējo Visuma asimetriju. Un tas ir svarīgi, jo vairāki zināmi asimetrijas gadījumi nevar izskaidrot, kāpēc Visumā ir tik daudz matērijas. Ar šarmu kvarka atklāšanu vien nepietiks, lai atrisinātu šo problēmu, bet tas ir svarīgs mīkla, lai izprastu pamata daļiņu mijiedarbību.
Nākamie soļi
Šim atklājumam sekos teorētisko darbu skaita pieaugums, kas palīdz interpretēt rezultātu. Bet vēl svarīgāk ir tas, ka viņa ieskicēs papildu testus, lai padziļinātu izpratni par mūsu atklājumu - un daži no šiem testiem jau notiek.
Nākamajā desmitgadē uzlabotais LHCb eksperiments palielinās šādu mērījumu jutīgumu. To papildinās Belle II eksperiments Japānā, kas tikai sāk darbu.
Antimērija ir arī daudzu citu eksperimentu pamatā. CERN Antiproton moderatorā tiek ražoti veseli antiatomi, un tie nodrošina virkni ļoti precīzu mērījumu eksperimentu. Eksperiments AMS-2, kas atrodas uz Starptautiskās kosmosa stacijas, meklē kosmosā iegūtu antimateriālu. Vairāki pašreizējie un nākamie eksperimenti tiks veltīti jautājumam par to, vai neitrīnos ir matērijas un antimateriāla asimetrija.
Kaut arī mēs joprojām nevaram pilnībā atšķetināt matērijas un antimateriāla asimetrijas noslēpumu, mūsu jaunākais atklājums pavēra iespējas precīzu mērījumu laikmetam, kas var atklāt vēl nezināmas parādības. Ir pamats uzskatīt, ka kādu dienu fiziķi spēs izskaidrot, kāpēc mēs vispār esam šeit.
Iļja Khel