Η ύλη και η αντιύλη θα έπρεπε να έχουν εξολοθρεύσει η μία την άλλη αμέσως μετά τη δημιουργία του σύμπαντος, αφήνοντας το σύμπαν άδειο και αδιάφορο.
Παρά το γεγονός ότι αυτό δεν συνέβη, τα πειράματα στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN φαίνεται να ανακαλύπτουν νέες ενδείξεις για το πώς αποφεύχθηκε αυτό το καταστροφικό τέλος, υποδεικνύοντας μια εκπληκτική διαφορά στους τρόπους αποσύνθεσης των σωματίων που ονομάζονται βαρυόνια και των αντίστοιχων αντισωμάτων τους.
Η αντίθεση ανύπαρκτης αντίστασης: Η θεωρία και η πραγματικότητα της αντιύλης
Η αντιύλη, θεωρητικά, θα έπρεπε να είναι απολύτως ταυτόσημη με την κανονική ύλη, εκτός από το γεγονός ότι τα αντίσωματά της έχουν αντίθετο φορτίο από τα αντίστοιχα σωματίδια της ύλης. Αυτή η μικρή διαφορά έχει τεράστιες συνέπειες – όταν η ύλη και η αντιύλη έρχονται σε επαφή, αλληλοεξοντώνονται με μια έκρηξη ενέργειας.
Οι θεωρητικοί υπολογισμοί υποδεικνύουν ότι η Μεγάλη Έκρηξη θα είχε δημιουργήσει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, πράγμα που σημαίνει ότι το συνολικό άθροισμα των σωματιδίων που σχηματίστηκαν θα έπρεπε να είχε εξαλείψει όλο το Σύμπαν, πολύ πριν την δημιουργία των άστρων, των πλανητών και της ζωής.
Εφόσον βρισκόμαστε εδώ για να συζητήσουμε το πρόβλημα, είναι προφανές ότι κάτι επηρέασε την ισορροπία αυτή. Μέσω ενός άγνωστου μηχανισμού, φαίνεται ότι το σύμπαν έχει μείνει με μία μικρή υπεροχή της ύλης σε σχέση με την αντιύλη.
Ανακαλύψεις στο LHC: Η σημασία της παράβασης της συμμετρίας CP
Σύμφωνα με τη θεωρία, όλα τα σωματίδια θα έπρεπε να υπακούν στη συμμετρία φορτίου-παραμόρφωσης (CP). Αυτό σημαίνει ότι εάν αλλάζαμε το φορτίο όλων των σωματίδιων του σύμπαντος και αντέστρεφαμε τις χωρικές τους συντεταγμένες, αυτό το σύμπαν «καθρέπτης» θα έπρεπε να ακολουθεί τους ίδιους νόμους της φυσικής με το δικό μας.
Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι ορισμένες αλληλεπιδράσεις παραβιάζουν αυτήν την συμμετρία. Ένα πείραμα ορόσημο το 1964 έδειξε ότι τα σωματίδια που ονομάζονται K2 μεσόνια μπορούσαν περιστασιακά να αποσυντεθούν σε προϊόντα που δεν θα μπορούσαν να σχηματιστούν χωρίς να παραβιάσουν τη συμμετρία CP. Αυτό συνέβαινε σπάνια – περίπου 2 στις 1.000 αποσυνθέσεις – αλλά ήταν αρκετό για να αμφισβητήσει τις τότε αποδεκτές απόψεις της φυσικής.
Αργότερα, πειράματα σε άλλες δεκαετίες ανίχνευσαν παρόμοιες παραβιάσεις σε άλλους τύπους μεσονίων, αλλά δεν ήταν επαρκή για να εξηγήσουν τη σπανιότητα της αντιύλης. Οι παραβιάσεις της συμμετρίας CP δεν είχαν παρατηρηθεί στα βαρυόνια, την άλλη κύρια κατηγορία σωματίων που αποτελούν τη συντριπτική πλειονότητα της παρατηρήσιμης ύλης στο Σύμπαν.
Η ανακάλυψη παραβίασης CP στα βαρυόνια
Η νέα μελέτη επιτέλους αναγνωρίζει παραβιάσεις της συμμετρίας CP στα βαρυόνια, χρησιμοποιώντας έναν πείραμα παρόμοιο με αυτό του 1964, αλλά σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα. Αντί για K2 μεσόνια, οι ερευνητές επικεντρώθηκαν σε σωματίδια που ονομάζονται βαρυόνια «Λb» και τα αντίσωμάτά τους.
Εάν η συμμετρία CP ήταν σε ισχύ, τότε τα σωματίδια Λb και αντι-Λb θα έπρεπε να αποσυντίθενται με τον ίδιο ρυθμό. Αν υπήρχε σημαντική διαφορά μεταξύ των δύο, αυτό θα υπεδείκνυε παραβίαση της συμμετρίας CP.
Οι ερευνητές της συνεργασίας LHCb ανέλυσαν δεκάδες χιλιάδες αποσυνθέσεις που καταγράφηκαν κατά τις πρώτες δύο εκδηλώσεις του LHC, μεταξύ 2009 και 2018. Μεταξύ αυτών, βρήκαν μια διαφορά περίπου 2,45% μεταξύ των αποσυνθέσεων της ύλης και της αντιύλης. Αυτό αποτελεί απόκλιση 5,2 τυπικών αποκλίσεων από το μηδέν, γεγονός που είναι αρκετά σημαντικό για να επιβεβαιώσει την παρατήρηση της παραβίασης της συμμετρίας CP.
Επιπτώσεις και αντίκτυπος
Αυτή η σημαντική ανακάλυψη θα μπορούσε να παρέχει στοιχεία για νέες δυνάμεις και σωματίδια, που θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να λύσουμε το μυστήριο του γιατί η αντιύλη δεν εξάλειψε το Σύμπαν.
«Όσο περισσότερα συστήματα παρατηρούμε να παραβιάζουν τη συμμετρία CP και όσο πιο ακριβείς είναι οι μετρήσεις μας, τόσο περισσότερες ευκαιρίες έχουμε για να εξετάσουμε το Πρότυπο Μοντέλο και να αναζητήσουμε φυσική πέρα από αυτό», λέει ο Vincenzo Vagnoni, εκπρόσωπος της συνεργασίας LHCb.
Η έρευνα έχει υποβληθεί στο περιοδικό Nature και η προ-ανασκόπησή της είναι ήδη διαθέσιμη στο arXiv.
Η ανακάλυψη της παραβίασης της συμμετρίας CP στα βαρυόνια σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόηση του λόγου για τον οποίο το σύμπαν δεν κατέληξε να εξολοθρεύσει όλη την ύλη με την αντιύλη.
Με τις νέες αποδείξεις, οι φυσικοί έχουν τώρα νέες δυνατότητες για να ερευνήσουν την ύπαρξη άγνωστων φυσικών δυνάμεων και σωματιδίων, ανοίγοντας τον δρόμο για περαιτέρω έρευνες που θα μπορούσαν να αλλάξουν την αντίληψή μας για το σύμπαν.