Η κυριαρχία της συνηθισμένης ύλης στο σύμπαν αποτελεί ισχυρή απόδειξη ότι η ύλη και η αντιύλη δεν είναι τέλεια είδωλα η μία της άλλης.
Οι γνωστές διαφορές δεν εξηγούν ωστόσο το μέγεθος αυτής της ανισορροπίας, αφήνοντας ανοιχτό το ενδεχόμενο να ευθύνεται άγνωστη φυσική. Μια νέα ανάλυση διασπάσεων μεσονίων από τη συνεργασία LHCb περιόρισε το εύρος της αναζήτησης ενός τέτοιου σεναρίου και άνοιξε τον δρόμο για ακριβέστερες μετρήσεις στο μέλλον. Την ανάλυση πραγματοποίησε ομάδα φυσικών από τα πανεπιστήμια του Warwick, του Manchester και της Oxford στο Ηνωμένο Βασίλειο, το TU Dortmund στη Γερμανία και το Institute of Nuclear Physics της Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) στην Κρακοβία.
Η ανισορροπία που η φυσική δεν εξηγεί ακόμη
Σύμφωνα με τα κοσμολογικά μοντέλα, λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη παρήχθησαν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης. Όταν όμως ένα σωματίδιο συναντά το αντισωματίδιό του, και τα δύο μετατρέπονται σε ενέργεια. Η πραγματικότητά μας κυριαρχείται από σωματίδια ύλης που ξέφυγαν από την εξαΰλωση, άρα οι δύο κόσμοι δεν ήταν και δεν είναι τέλεια συμμετρικοί.
«Σε πολλές φυσικές διεργασίες, η ταυτόχρονη αντικατάσταση όλων των σωματιδίων με τα αντισωματίδιά τους και η αντιστροφή όλων των χωρικών συντεταγμένων αφήνει αμετάβλητους τους νόμους που διέπουν τα φαινόμενα. Η αρχή αυτή είναι γνωστή ως συμμετρία φορτίου-ομοτιμίας, ή συμμετρία CP. Αναζητούμε διεργασίες που παραβιάζουν τη συμμετρία αυτή στις διασπάσεις σωματιδίων που παράγονται σε συγκρούσεις πρωτονίων στον LHC, συγκεκριμένα στις διασπάσεις μεσονίων που περιέχουν κουάρκ και αντικουάρκ beauty και strange», εξηγεί η Dr. Agnieszka Dziurda (IFJ PAN).
Αναζήτηση ασυμμετρίας εκεί όπου δεν προβλέπεται
Σε εργασία που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, οι ερευνητές παρουσίασαν ανάλυση των διασπάσεων μεσονίων Bₛ⁰. «Επιλέξαμε να διερευνήσουμε μια διεργασία στην οποία το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν προβλέπει καμία ασυμμετρία. Γιατί λοιπόν να τη μελετήσουμε;» ρωτά η Dziurda. Εξηγεί: «Επειδή, αν παρατηρούνταν παρ’ όλα αυτά ασυμμετρία, θα μπορούσε να είναι σήμα ότι δρα άγνωστη φυσική. Γνωρίζουμε επίσης ότι οι θεωρητικές προβλέψεις για τις πιθανότητες ορισμένων καναλιών διάσπασης των μεσονίων beauty διαφέρουν σημαντικά από τις πειραματικές τιμές».
Τα μεσόνια ταλαντώνονται εξαιρετικά γρήγορα ανάμεσα σε καταστάσεις ύλης και αντιύλης, έως και αρκετά τρισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Χάρη σε αυτό, η ανάλυση έγινε χωρίς να χρειαστεί να προσδιοριστεί η αρχική κατάσταση κάθε μεσονίου.
Διαχωρισμός των επιδράσεων του ανιχνευτή
Πρόκληση ήταν η κατανόηση των ασυμμετριών του ανιχνευτή. Τα θετικά και τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια καμπυλώνονται προς αντίθετες κατευθύνσεις μέσα στο μαγνητικό πεδίο, και επειδή οι αποδόσεις ανίχνευσης διαφέρουν στον ανιχνευτή, αυτό επηρεάζει τους αριθμούς που καταγράφονται. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν εκτενή δείγματα βαθμονόμησης και προσομοιώσεις και αντέστρεφαν τακτικά την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.
«Έπρεπε να βεβαιωθούμε ότι κάθε ασυμμετρία στα δεδομένα, όσο μικρή κι αν ήταν, δεν προκαλούνταν από τον ίδιο τον ανιχνευτή», λέει η Dziurda.
Αυστηρότερα όρια
Τα δεδομένα έδειξαν διαφορά περίπου μία έως δύο περιπτώσεων ανά χίλιες διασπάσεις. Επειδή όμως η αβεβαιότητα της μέτρησης ήταν μεγαλύτερη από το φαινόμενο, το αποτέλεσμα συμφωνεί με το Καθιερωμένο Πρότυπο. Το εύρημα δε λύνει το μυστήριο της χαμένης αντιύλης, περιορίζει όμως το εύρος όπου θα μπορούσε να κρύβεται νέα φυσική: κάθε άγνωστη διεργασία που θα προκαλούσε ασυμμετρία μεγαλύτερη από περίπου 2% θα είχε σχεδόν σίγουρα ανιχνευθεί. Μελλοντική έρευνα με τα μεγαλύτερα σύνολα δεδομένων του αναβαθμισμένου ανιχνευτή LHCb θα επιτρέψει τη διερεύνηση ακόμη πιο λεπτών φαινομένων.