CERN: Ερευνητές ανακαλύπτουν νέα πηγή ασυμμετρίας μεταξύ ύλης και αντιύλης

Το πείραμα LHCb, στο CERN, βρήκε ενδείξεις που θα μπορούσε να είναι ένα νέο κομμάτι του puzzle του ελλείμματος της αντιύλης στο σύμπαν μας. Οι ερευνητές βρήκαν στοιχεία ενός φαινομένου που καλείται παραβίαση φορτίου-πάριτυ (CP violation) σε σωμάτια γνωστά ως βαρυόνια – μια ομάδα σωματίων στην οποία τα πιο γνωστά μέλη είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια, που συγκροτούν όλη την ύλη του σύμπαντος. Η ιδέα ότι τα βαρυόνια που συγκροτούν την ύλη συμπεριφέρονται ακριβώς όπως τα ομόλογα τους της αντιύλης, σχετίζεται με την ιδέα της συμμετρίας φορτίου-πάριτυ (CP symmetry).

Οποιαδήποτε παραβίαση της συμμετρίας αυτής θα σήμαινε ότι ο νόμοι της φυσικής δεν είναι οι ίδιοι για τα σωμάτια ύλης και αυτά της αντιύλης. Αυτό είναι σημαντικό, επειδή μια σε βάθος κατανόηση του πώς παραβιάζεται αυτή η συμμετρία στη φύση μπορεί να συνεισφέρει για να εξηγηθεί το συντριπτικό πλεόνασμα της ύλης επί της αντιύλης που παρατηρείται στο σύμπαν μας, παρά το γεγονός ότι η Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε, καταρχήν, να έχει δημιουργήσει ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model – SM) της σωματιδιακής φυσικής προβλέπει ότι μια ελάχιστη CP-παραβίαση υπάρχει επίσης στον τομέα του βαρυόνιου. Παρόλο που οι διαδικασίες της CP-παραβίασης μελετώνται για πάνω από 50 χρόνια, δεν είχαν εμφανιστεί σημαντικά αποτελέσματα με τα βαρυονικά σωμάτια. Επιπλέον, η CP-παραβίαση όπως περιγράφηκε στο SM δεν είναι αρκετά μεγάλη για να αιτιολογήσει την ευρεία ανισορροπία ύλης και αντιύλης. Επομένως, πρέπει να υπάρχει συνεισφορά και άλλων πηγών CP-παραβίασης, και ένας από τους κύριους στόχους του πειράματος LHCb είναι ακριβώς να ερευνήσει για νέες πηγές της CP-παραβίασης.

Το νέο αποτέλεσμα του LHCb βασίζεται σε ανάλυση δεδομένων που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια των πρώτων τριών χρόνων λειτουργίας του Large Hadron Collider (LHC). Μεταξύ όλων των πιθανών βραχύβιων σωματίων που δημιουργούνται ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης των πρωτονίων με πρωτόνια, οι ερευνητές συνέκριναν τη συμπεριφορά ενός από την οικογένεια των Λ βαρυονίων – ας το σημειώσουμε ως Λ(0,b) – και του ομόλογού του της αντιύλης Λ(0,b)-bar, όταν διασπώνται σε ένα πρωτόνιο (ή αντιπρωτόνιο) και τρία φορτισμένα σωμάτια αποκαλούμενα πιόνια. Η διαδικασία αυτή είναι εξαιρετικά σπάνια και δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ προηγουμένως. Ο υψηλός ρυθμός παραγωγής αυτών των βαρυονίων στο LHC και οι εξειδικευμένες δυνατότητες του ανιχνευτή LHCb, επέτρεψαν τους ερευνητές να συλλέξουν ένα καθαρό δείγμα από περίπου 6000 τέτοιες διασπάσεις.

Φαίνονται οι κατανομές αναλλοίτης μάζας για τις διασπάσεις (a) Λ(0,b) σε pπ(-)π(+)π(-) και (b) Λ(0,b) σε pπ(-)K(+)K(-)

Οι ερευνητές του LHCb συνέκριναν την κατανομή των τεσσάρων προϊόντων της διάσπασης των βαρυονίων Λ(0,b) [ύλη] και Λ(0,b)-bar [αντιύλη] και υπολόγισαν ειδικές ποσότητες που είναι ευαίσθητες στη CP-συμμετρία. Οποιαδήποτε σημαντική διαφορά, ή ασυμμετρία, μεταξύ τέτοιων ποσοτήτων για περιπτώσεις ύλης και αντιύλης θα μπορούσε να είναι μια εκδήλωση της CP-παραβίασης.

Τα δεδομένα του LHCb αποκάλυψαν ένα σημαντικό επίπεδο ασυμμετριών σε αυτές τις ευαίσθητες σε CP-παραβίαση ποσότητες για τις διασπάσεις των βαρυονίων Λ(0,b) και Λ(0,b)-bar, με διαφορές σε ορισμένες περιπτώσεις έως και 20%.

Γενικά, η στατιστική σημαντικότητα – που είναι ο τρόπος με τον οποίο οι φυσικοί αναφέρονται στην πιθανότητα ότι το αποτέλεσμα αυτό δεν έχει συμβεί στην τύχη – είναι στο επίπεδο των 3,3 τυπικών αποκλίσεων και η μια ανακάλυψη υποστηρίζεται όταν αυτή η τιμή φτάνει στις 5 τυπικές αποκλίσεις. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Physics, σύντομα θα αναβαθμιστούν με μεγαλύτερες ομάδες δεδομένων που συγκεντρώθηκαν μέχρι τώρα, κατά τη διάρκεια του δεύτερου γύρου λειτουργίας του LHC. Αν αυτά, τα νεώτερα στοιχεία για τη CP-παραβίαση, εμφανίζονται ξανά με μεγαλύτερη σημαντικότητα στο μεγαλύτερο δείγμα, το αποτέλεσμα θα είναι ένα σημαντικό ορόσημο στη μελέτη της CP-παραβίασης.

Πηγή: CERN

Περισσότερα στη δημοσίευση: Measurement of matter–antimatter differences in beauty baryon decays. Nature Physics.

Σημείωση egno: Τα Λ βαρυόνια είναι μια οικογένεια υποατομικών αδρονίων που έχουν στοιχειώδες φορτίο +1 ή είναι ουδέτερα. Το υπό εξέταση Λ-βαρυόνιο, είναι ουδέτερο και συγκροτείται από τρία διαφορετικά κουάρκ: ένα up, ένα down και ένα bottom, για αυτό και στο κείμενο σημειώνεται ως Λ(0,b). Βέβαια το σύμβολο είναι λίγο διαφορετικό, γράφεται Λ με το 0 (φορτίο) δεξιά επάνω και το b (bottom) δεξιά κάτω.