Πρώτη παρατήρηση παραβίασης της συμμετρίας CP σε διασπάσεις βαρυονίων

Για κάθε σωματίδιο που γνωρίζουμε, υπάρχει και ένα αντίστοιχο αντισωματίδιο με τις ίδιες ιδιότητες, εκτός από το ηλεκτρικό φορτίο. Για παράδειγμα, το αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου είναι το ποζιτρόνιο και το αντισωματίδιο του πρωτονίου είναι το αντι-πρωτόνιο. Ένα ποζιτρόνιο και ένα αντιπρωτόνιο μπορούν να σχηματίσουν ένα άτομο αντι-υδρογόνου. Αλλά αυτό είναι πραγματικά πολύ δύσκολο. Υπάρχουν πειράματα στο CERN που κατασκευάζουν άτομα αντι-υδρογόνου και μελετούν την ελέυθερη πτώση τους. Τα αντισωματίδια (και τα αντι-άτομα) είναι αυτό που ονομάζουμε αντιύλη. Όταν τα αντισωματίδια και τα σωματίδια συναντηθούν εξαϋλώνονται. Η ύλη και η αντιύλη μετατρέπονται σε ενέργεια σύμφωνα με την εξίσωση E=mc².

Υπάρχει μια πολύ μεγάλη διαφορά μεταξύ ύλης και αντιύλης. Η ύλη κυριαρχεί παντού γύρω μας. Μόνο περιστασιακά εμφανίζεται ελάχιστη αντιύλη. Για παράδειγμα, το κάλιο-40 είναι ραδιενεργό και εκπέμπει ποζιτρόνια. Μια μέση μπανάνα περιέχει κάλιο-40 και παράγει ένα ποζιτρόνιο ανά 75 λεπτά. Γιατί όμως το σύμπαν μας είναι φτιαγμένο από ύλη και όχι από αντιύλη; Τι είναι αυτό που ευνοεί τα σωματίδια έναντι των αντι-σωματιδίων; Δεν ξέρουμε.

Το πείραμα LHCb στο CERN έχει σχεδιαστεί για να δώσει απάντηση (και) σ’ αυτό το ερώτημα. Μελετά τα σωματίδια και τα αντι-σωματίδια που παράγονται από τις συγκρούσεις στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) και ψάχνει για διαφορές.
Στο παρελθόν ανιχνεύθηκαν κάποιες διαφορές στις διασπάσεις μεσονίων K, B και D, σωματίδια που αποτελούνται από ένα ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ και περιέχουν παράξενα κουάρκ, πυθμένες και γοητευτικά κουάρκ, αντίστοιχα. Για παράδειγμα, στο διαγραμμα που ακολουθεί, βλέπουμε τον αριθμό των μεσονίων (δεξιά) και αντι-μεσονίων (αριστερά) που διασπώνται σε σχέση με τη μετρούμενη μάζα τους:

Η μάζα είναι ίδια και στα δύο διαγράμματα, αλλά η ποσότητα των (αντι-) μεσονίων είναι διαφορετική. Αυτές οι διαφορές είναι αρκετά κατανοητές. Προέρχονται από τη μικρή διαφορά μεταξύ των κουάρκ και των αντι-κουάρκ που περιγράφηκε για πρώτη φορά το 1974 από τους Makoto Kobayashi και Toshihide Maskawa, με βάση παλαιότερη εργασία του Nicola Cabibbo. Αλλά αυτά είναι μεσόνια. Περιέχουν ένα κουάρκ και ένα αντι-κουάρκ. Ανήκουν στην ύλη ή στην αντιύλη; Διαλέγουμε ότι θέλουμε! Κάτι που δεν μπορούμε να κάνουμε με τα βαρυόνια, που περιέχουν τρία κουάρκ και είναι ο τύπος της ύλης που συνθέτει το ορατό σύμπαν. Το πρωτόνιο, αυτό είναι το ελαφρύτερο σταθερό βαρυόνιο. Τα αντι-βαρυόνια περιέχουν τρία αντι-κουάρκ, όπως το αντι-πρωτόνιο.

Υπάρχει διαφορά στις διασπάσεις των βαρυονίων και των αντι-βαρυονίων; Δεν είχε αναφερθεί καμία, μέχρι πριν από μερικές ημέρες, όταν στο Rencontres de Moriond EW, οι φυσικοί του LHCb ανακοίνωσαν ότι παρατήρησαν για πρώτη φορά διαφοροποίηση σε διασπάσεις βαρυονίων. Είναι αυτή η μέτρηση συνεπής με την θεωρητική πρόβλεψη των Kobayashi και Maskawa; Δεν ξέρουμε ακόμα. Οι θεωρητικοί φυσικοί ήδη αναζητούν το πόσο μεγάλη αναμένεται να είναι αυτή η διαφορά.

Η παραβίαση της συμμετρίας CP

H συμμετρία CP (συμμετρία συζυγίας φορτίου C και της συμμετρίας της ομοτιμίας P) σημαίνει ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι αν ένα σωματίδιο αντικατασταθεί με το αντίστοιχο αντισωματίδιο ενώ οι χωρικές συντεταγμένες αναστρέφονται. H συμμετρία CP είναι παρούσα σχεδόν σε όλες τις φυσικές διαδικασίες, και μέχρι τη δεκαετία του ’60 οι φυσικοί πίστευαν πως ήταν μια θεμελιώδης αρχή της φύσης. Κάτι που καταρρίφθηκε το 1964, όταν εντοπίστηκε η παραβίασή της από τα καόνια. Η παραβίαση CP, όπως αποκαλείται, οδηγεί σε διαφορετική συμπεριφορά τα σωματίδια ύλης και αντιύλης, το οποίο είναι ένα σημείο που ίσως αποδειχτεί κλειδί στην εξήγηση της ασυμμετρίας ύλης και αντιύλης στο Σύμπαν. Λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν αποτελείτο από ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, και δίχως την παραβίαση CP, οι δύο μορφές ύλης θα είχαν εξαϋλωθεί, δημιουργώντας ένα Σύμπαν γεμάτο μονάχα από ενέργεια. Το φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1964 στη διάσπαση των ουδέτερων μεσονίων Κ και οι δύο φυσικοί που έκαναν την ανακάλυψη, ο James Cronin και ο Val Fitch, τιμήθηκαν με το Νόμπελ Φυσικής το 1980.

Πριν από μερικές ημέρες οι φυσικοί του LHCb ανακοίνωσαν την πρώτη παρατήρηση παραβίασης CP σε διάσπαση βαρυονίου [Observation of charge-parity symmetry breaking in baryon decays]. Οι διαφορές στις ιδιότητες της ύλης και της αντιύλης, που προκύπτουν από το φαινόμενο της παραβίασης CP, είχαν παρατηρηθεί στο παρελθόν χρησιμοποιώντας τις διασπάσεις των μεσονίων K, B και D, των σωματιδίων που αποτελούνται από ένα ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ. Ωστόσο, παρά τις δεκαετίες πειραματικών ερευνών, η παραβίαση της συμμετρίας CP δεν είχε ακόμη παρατηρηθεί στις διασπάσεις των βαρυονίων, που αποτελούνται από τρία κουάρκ, δηλαδή τον τύπο της ύλης που συνθέτει το ορατό σύμπαν. Το αποτέλεσμα που ανακοινώθηκε στη Moriond αποτελεί την πρώτη παρατήρηση παραβίασης CP σε διασπάσεις βαρυονίων.

Το 1974 οι Kobayashi και Maskawa συνειδητοποίησαν ότι η παραβίαση CP θα μπορούσε φυσικά να συμπεριληφθεί στο θεωρητικό πλαίσιο που γνωρίζουμε σήμερα ως το Καθιερωμένο Πρότυπο της Φυσικής των Σωματιδίων υπό την προϋπόθεση ότι υπήρχαν τουλάχιστον έξι διαφορετικά κουάρκ στη φύση. Η θεμελιώδης ιδέα τους επιβεβαιώθηκε τελικά τρεις δεκαετίες αργότερα, χάρη στην παρατήρηση της παραβίασης της CP από τα πειράματα BaBar και Belle, που οδήγησε στην απονομή του Νόμπελ Φυσικής του 2008 στους Kobayashi και Maskawa.

Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, η ύπαρξη και το συνολικό μέγεθος της παραβίασης της συμμετρίας CP καθορίζονται από μία μόνο παράμετρο, αν και η εκδήλωσή της σε μια συγκεκριμένη διάσπαση επηρεάζεται από πολλές άλλες παραμέτρους. Οι τιμές αυτών των θεμελιωδών παραμέτρων μπορούν να προσδιοριστούν πειραματικά μετρώντας πολλές διαφορετικές διαδικασίες παραβίασης CP. Το συνδυασμένο σύνολο αυτών των μετρήσεων, πολλές από τις οποίες έχουν πραγματοποιηθεί στον LHCb, συμφωνεί πολύ καλά με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου για όλα τα φαινόμενα παραβίασης της συμμετρίας CP που είναι γνωστά μέχρι στιγμής στη σωματιδιακή φυσική. Η παρατήρηση της παραβίασης της CP στις διασπάσεις βαρυονίων ανοίγει ένα νέο δρόμο για τον έλεγχο του Καθιερωμένου Προτύπου και την αναζήτηση νέας φυσικής, ρίχνοντας νέο φως στον γρίφο της παραβίασης CP.

Στη νέα εργασία, η παραβίαση CP στις διασπάσεις του βαρυονίου παρατηρείται στη διάσπαση του βαρυονίου σε ένα πρωτόνιο, ένα καόνιο και ένα ζεύγος αντίθετα φορτισμένων πιονίων:  → p + K^– + π⁺ + π^–. Τα συστατικά κουάρκ του βαρυονίου  είναι παρόμοια με αυτά του πρωτονίου (uud), με ένα από τα πάνω κουάρκ u να αντικαθίσταται από ένα κουάρκ πυθμένα b. Η παραβίαση CP ποσοτικοποιείται με τη λεγόμενη CP ασυμμετρία, A_CP, που ορίζεται ως η σχετική διαφορά μεταξύ των ρυθμών διάσπασης του  (ύλη) και της διάσπασης (αντιύλης) σε αυτοσυζευγμένες τελικές καταστάσεις.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει τις κατανομές μάζας των προϊόντων διάσπασης  και . Η διαφορά στον αριθμό των διασπάσεων  (αριστερά) και  (δεξιά), αφού διορθωθεί για πειραματικά αποτελέσματα, είναι μια σαφής εκδήλωση παραβίασης CP. Οι φυσικοί του LHCb υπολόγισαν την αριθμητική τιμή της ασυμμετρίας CP, A_CP =(2,45±0,46±0,10)% , που διαφέρει από μηδέν με στατιστική ακρίβεια 5,2 τυπικών αποκλίσεων.

Η εύρεση της μη μηδενικής τιμής A_CP με ακρίβεια 5,2 σίγμα βρίσκεται πάνω από το όριο βεβαιότητας των 5σ που καθορίζει μια ανακάλυψη (5 σίγμα σημαίνει ότι υπάρχει πιθανότητα 1 στα 3,5 εκατομμύρια η μέτρηση να είναι τυχαία). Έτσι, η πρώτη παρατήρηση παραβίασης της συμμετρίας CP σε διασπάσεις βαρυονίων ανοίγει το δρόμο για περαιτέρω θεωρητικές και πειραματικές έρευνες σχετικά με τη φύση της παραβίασης της συμμετρίας, προσφέροντας πιθανώς νέους περιορισμούς για θεωρίες πέρα ​​από το Καθιερωμένο Πρότυπο.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: Observation of the different behaviour of baryonic matter and antimatter – https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2025/03/25/observation-of-the-different-behaviour-of-baryonic-matter-and-antimatter και ΕΔΩ https://twitter.com/PKoppenburg/status/1904565972226240765

Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, LHC

Ετικέτες: ΑΝΤΙΥΛΗ, LHCb, PHYSICS