De ce existăm? Aceasta este poate cea mai profundă întrebare care poate părea complet în afara domeniului fizicii particulelor. Însă noul nostru experiment de la Colibrul de Hadroni de la CERN ne-a apropiat de răspuns. Pentru a înțelege de ce existăm, mai întâi trebuie să mergi cu 13,8 miliarde de ani în urmă, pe vremea Big Bang. Acest eveniment a produs o cantitate egală din substanța din care facem parte și este antimaterie.
Se crede că fiecare particulă are un partener antimaterie, care este aproape identic cu ea, dar are sarcina opusă. Când o particulă și antiparticulul ei se întâlnesc, ele se anihilează - dispar într-o strălucire de lumină.
Unde este toată antimateria?
De ce universul pe care îl vedem este compus în întregime din materie este unul dintre cele mai mari mistere ale fizicii moderne. Dacă ar exista o dată o cantitate egală de antimaterie, totul din univers s-ar anihila. Și deci, un studiu publicat recent pare să fi găsit o nouă sursă de asimetrie între materie și antimaterie.
Arthur Schuster a fost primul care a vorbit despre antimaterie în 1896, apoi în 1928 Paul Dirac i-a oferit o bază teoretică, iar în 1932 Karl Anderson a descoperit-o sub forma de anti-electroni, care sunt numiți pozitroni. Positronii se nasc în procese radioactive naturale, cum ar fi descompunerea potasiului-40. Aceasta înseamnă că o banană obișnuită (care conține potasiu) emite un pozitron la fiecare 75 de minute. Se anihilează apoi cu electroni în materie, producând lumină. Aplicațiile medicale precum scanerele PET produc, de asemenea, antimaterie într-un proces similar.
Principalele blocuri de bază ale substanței din care sunt compuși atomii sunt particule elementare - quarkuri și leptone. Există șase tipuri de quark: sus, jos, ciudat, fermecat, adevărat și frumos. De asemenea, există șase leptoni: electron, muon, tau și trei tipuri de neutrino. Există, de asemenea, copii antimateriale ale acestor douăsprezece particule, care diferă doar în sarcina lor.
Particulele antimaterie, în principiu, ar trebui să fie imaginea în oglindă perfectă a sateliților lor normali. Experimentele arată însă că nu este întotdeauna cazul. Luăm, de exemplu, particule cunoscute sub numele de mezoane, care sunt formate dintr-un quark și un antiquark. Mesonele neutre au o caracteristică uimitoare: se pot transforma spontan în anti-meson și invers. În acest proces, un quark se transformă într-un antiquark sau un antiquark se transformă într-un quark. Cu toate acestea, experimentele au arătat că acest lucru se poate întâmpla mai des într-o direcție decât în alta - ca urmare a faptului că există mai multă materie în timp decât antimaterie.
Video promotional:
A treia oară este magic
Printre particulele care conțin quark, asimetriile au fost găsite doar în quark-uri ciudate și frumoase - iar aceste descoperiri au devenit extrem de importante. Prima observație a asimetriei implicând particule ciudate în 1964 le-a permis teoreticienilor să prezice existența a șase quarkuri - într-un moment în care doar trei erau cunoscute că există. Descoperirea asimetriei în particule frumoase în 2001 a fost confirmarea finală a mecanismului care a dus la imaginea cu șase quark-uri. Ambele descoperiri au obținut Premiile Nobel.
Atât quark-uri ciudate, cât și frumoase, au sarcini electrice negative. Singurul quark încărcat pozitiv care, în teorie, ar trebui să poată forma particule care pot prezenta asimetria materiei și antimateriei este cel fermecat. Teoria sugerează că face acest lucru, efectul său ar trebui să fie nesemnificativ și greu de găsit.
Însă, experimentul LHCb de la colizorul cu Hadronul Mare a putut observa o astfel de asimetrie în particule numite mesonii D, care sunt compuse din quark-uri fermecate - pentru prima dată. Acest lucru este posibil prin cantitatea fără precedent de particule fermecate produse direct în coliziuni la LHC. Rezultatul arată că probabilitatea ca aceasta să fie o fluctuație statistică este de 50 la miliard.
Dacă această asimetrie nu se naște din același mecanism care duce la asimetriile unor quarkuri ciudate și frumoase, există loc pentru noi surse de asimetrie de antimaterie a materiei, care se pot adăuga asimetriei generale a celor din Univers. Și acest lucru este important, deoarece mai multe cazuri cunoscute de asimetrie nu pot explica de ce există atât de multă materie în univers. Descoperirea quark-ului de farmec nu va fi suficientă pentru a umple această problemă, dar este o piesă importantă a puzzle-ului în înțelegerea interacțiunilor fundamentale ale particulelor.
Pasii urmatori
Această descoperire va fi urmată de o creștere a numărului de lucrări teoretice care ajută la interpretarea rezultatului. Dar, mai important, ea va prezenta mai multe teste pentru a aprofunda înțelegerea descoperirii noastre - iar unele dintre aceste teste sunt deja în curs.
În următorul deceniu, experimentul LHCb actualizat va crește sensibilitatea acestor măsurători. Acesta va fi completat de experimentul Belle II din Japonia, care abia începe.
Antimateria este, de asemenea, în centrul mai multor alte experimente. Antiatomii întregi sunt produși la Moderatorul Antiproton al CERN și oferă o serie de experimente de măsurare extrem de precise. Experimentul AMS-2 la bordul Stației Spațiale Internaționale este în căutarea antimateriei derivate din spațiu. O serie de experimente actuale și viitoare vor fi dedicate întrebării dacă există o asimetrie antimaterie între neutrini.
Deși încă nu putem dezlega pe deplin misterul asimetriei materiei și antimateriei, ultima noastră descoperire a deschis ușa unei ere de măsurători precise care pot dezvălui fenomene încă necunoscute. Există toate motivele pentru a crede că, într-o bună zi, fizicienii vor putea explica de ce suntem aici.
Ilya Khel
