Drobne różnice między materią i antymaterią znaleziono, dużych - ciągle nie

Data dodania: piątek, 29 marca 2019, autor: naukawpolsce.pap.pl

Skoro antymateria jest jak odbicie lustrzane materii, to dlaczego Wszechświat pełen jest materii, a nie antymaterii? Naukowcy w eksperymentach znajdują tylko nieznaczne różnice między materią i antymaterią. Te największe różnice jednak ciągle im umykają. Mówi o tym PAP prof. Mariusz Witek z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

- Mówi się, że cząstki antymaterii to odbicia lustrzane cząstek materii - tłumaczy w rozmowie z PAP prof. Mariusz Witek z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Wyjaśnia, że elektron to cząstka o ładunku ujemnym, a odpowiadające mu lustrzane odbicie - cząstka antymaterii, pozyton - różni się od elektronu ładunkiem, który jest dodatni. Analogicznie jest z innymi rodzajami cząstek - każdy ma swojego antymaterialnego bliźniaka. Jeśli cząstka spotka się ze swą antycząstką, następuje anihilacja. W jej wyniku powstają fotony unoszące całą energię anihilujących cząstek.

Z badań wynika jednak, że to materia - a nie antymateria - jest tym, z czego jesteśmy zbudowani my i cały obserwowalny Wszechświat. Nie zawsze jednak antymaterii było we Wszechświecie tak mało jak teraz. Naukowcy wyliczyli, że we wczesnych fazach po Wielkim Wybuchu materia i antymateria produkowane były w takich samych proporcjach.

Stąd pytanie, gdzie się podziała cała wyprodukowana wtedy antymateria. Badacze są zgodni, że między materią a antymaterią występuje łamanie symetrii (tzw. symetria CP). Antymateria nie jest więc tak dokładnym "lustrzanym odbiciem" materii, jak mogłoby się wydawać.

Dlatego fizycy od dekad szukają różnic między materią i antymaterią. W marcu zespół eksperymentu LHCb w CERN (Europejskiej Organizacji ds. Badań Jądrowych) poinformował, że odkryto kolejny eksperymentalny dowód na łamanie symetrii CP. Analizując dane z Wielkiego Zderzacza Hadronów naukowcy zaobserwowali różnice w liczbie rozpadów neutralnych mezonów D0 i antymezonów D0. Tym razem chodziło o łamanie symetrii CP między kwarkami powabnymi.

Nie jest to pierwsze odkrycie pokazujące różnice między materią a antymaterią. Już wcześniej było wiadomo o łamaniu symetrii CP wśród kwarków dziwnych i pięknych. Prof. Witek - który wraz z zespołem badaczy IFJ PAN w swoich badaniach prowadzonych w LHCb szuka różnic między materią i antymaterią - wyjaśnia, że wszystkie poznane dotąd efekty ciągle są jednak zbyt subtelne, aby wyjaśnić tak dramatyczną różnicę w proporcjach materia-antymateria. Do tego potrzebne będzie większe odkrycie - pokazujące tzw. Nową Fizykę, a więc fizykę wykraczającą poza Model Standardowy.

Model Standardowy to znana od kilkudziesięciu lat teoria, która potrafi opisać, co działo się w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu, kiedy cały Wszechświat był jeszcze bardzo, bardzo gorącym miejscem. Teoria ta łączy w spójny system wszystkie znane dotąd cząstki oraz ich wzajemne oddziaływania. Model Standardowy przewiduje istnienie pewnych drobnych różnic materia-antymateria. I na razie tylko takie przewidziane przez teorię różnice udało się znaleźć we wszystkich eksperymentach, gdzie zauważono łamanie symetrii CP.

Prof. Witek przyznaje, że fizycy zaczynają być już trochę zniecierpliwieni. - Nikomu na świecie nie udało się jeszcze znaleźć efektu, który byłby niezgodny z przewidywaniami Modelu Standardowego. To dobra teoria. Ale wiadomo, że ona nie może być do końca prawdziwa - mówi. Model Standardowy nie tylko nie wyjaśnia, gdzie się podziała cała antymateria, ale też nie przewiduje np. istnienia ciemnej materii czy ciemnej energii, których istnienie jest niemal pewne.

Dlatego naukowcy na różne sposoby próbują znaleźć dziury w Modelu Standardowym. Jeśli taką dziurę znajdą, będą mogli wokół niej zacząć "wiercić", żeby - jak mają nadzieję - dokopać się do bardziej ogólnej teorii, opisującej działanie Wszechświata.

Świętym Graalem naukowców jest bowiem tzw. Teoria Wszystkiego - teoria opisująca, co działo się trochę wcześniej, niż zakłada to Model Standardowy - kiedy Wszechświat był jeszcze gorętszym miejscem. Tak gorącym, że wszystkie oddziaływania między cząstkami - elektromagnetyczne, silne, słabe oraz grawitacja - były jeszcze jednością. Fizycy spodziewają się, że w tak ekstremalnych warunkach rzeczywiście mogły się w pełnej krasie uwidocznić różnice między materią i antymaterią - niewidoczne teraz, kiedy Wszechświat ostygł.

Prof. Witek wyjaśnia, że dziur w Modelu Standardowym - świadczących o Nowej Fizyce - można szukać, zderzając cząstki z ogromną energią i odtwarzając w ten sposób "gorące" warunki, jakie panowały po Wielkim Wybuchu. Im większa bowiem energia zderzeń cząstek, tym większa szansa, że z energii tej powstanie efekt nieuwzględniony w Modelu Standardowym. Stąd m.in. bierze się pragnienie fizyków, by budować coraz mocniejsze i coraz większe akceleratory cząstek.

Druga metoda - stosowana choćby w eksperymencie LHCb - mierzy subtelne efekty i zjawiska, które zachodzą podczas zderzeń, ale które da się zauważyć dopiero analizując ogromne ilości danych z takich zderzeń. Obecnie tego typu pomiary dostarczyły kilku cennych wskazówek na to, że wśród tych subtelnych efektów można będzie zaobserwować wpływ zjawisk Nowej Fizyki.

W skład załogi eksperymentu LHCb (fizycy wielkie zespoły pracujące przy wspólnych projektach nazywają współpracami) wchodzą polscy badacze - m.in. z IFJ PAN. - Każde państwo - członek CERN - musi wnieść wkład w wysiłek całej współpracy międzynarodowej eksperymentu - mówi prof. Witek. Dodaje, że eksperyment trzeba nie tylko uruchomić, ale i pomagać przy utrzymaniu wysokiej jakości pracy detektora oraz przy zbieraniu danych w formie dyżurów, bo kiedy akcelerator pracuje - dane spływają przez całą dobę. Poza tym polscy naukowcy m.in. budują części detektorów czy piszą oprogramowanie. - Jeśli wniesiemy wkład, mamy pełne prawo do korzystania z danych, które rzucić mogą kiedyś światło na zagadkę, którą kryje antymateria - podsumowuje prof. Witek.

Źródło: PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala