Antymateria brzmi jak fantastyka, ale w laboratoriach fizycznych jest czymś w miarę normalnym. To po prostu wersja materii z przeciwnym znakiem. Każda ze zwykłych cząstek ma swoją antycząstkę. Elektron ma ładunek ujemny, a jego antycząstkę, czyli pozyton charakteryzuje ładunek dodatni. Z kolei antycząstką naładowanego dodatnio protonu złożonego z kwarków jest ujemny antyproton, który tworzą antykwarki. Gdy materia spotyka antymaterię, często dochodzi do anihilacji, czyli zamiany masy w energię (najczęściej w promieniowanie). W idealnie symetrycznym scenariuszu po Wielkim Wybuchu materia i antymateria powinny więc niemal całkiem się skasować, zostawiając głównie światło. Skoro jednak istnieją gwiazdy, planety i my, to znaczy, że gdzieś po drodze pojawiła się bardzo drobna, ale kluczowa przewaga na korzyść materii.

Jednym z przejawów takiej przewagi jest tzw. łamanie symetrii CP. To naukowe określenie na fakt, że pewne procesy nie zachodzą identycznie, gdy zamienimy cząstki na antycząstki (C) i jednocześnie odbijemy układ w lustrze (P). W artykule w Physical Review Letters zespół eksperymentu LHCb w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN przeanalizował, pod jakimi kątami wylatują produkty rozpadu mezonu B+ (cząstka) i odpowiadającego mu mezonu B− (antycząstka). Oba są krótkotrwałymi cząstkami zawierającymi ciężki kwark b.

Żeby uchwycić tak subtelne i rzadkie efekty, potrzeba ogromnej liczby zdarzeń. Zapewnia je Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN, gdzie protony zderzają się z energiami 7–8 TeV oraz 13 TeV. W przeliczeniu 1 TeV to mniej więcej energia ruchu komara w locie, tylko że „upchnięta” w pojedynczym protonie. Dzięki temu w mikroskopijnym punkcie zderzenia pojawiają się warunki, w których na ułamek sekundy mogą powstawać ciężkie, rzadkie cząstki, w tym mezony B. Zespół LHCb przeanalizował dane odpowiadające łącznej liczbie ponad 600 bilionów zderzeń, a potem wyłowił z nich tysiące interesujących rozpadów B+ i B− w jednej badanej dalszej ścieżce (kanale) rozpadu prowadzącej do konkretnych produktów dających się jednoznacznie zidentyfikować.

W efekcie po raz pierwszy zaobserwowano łamanie symetrii CP z istotnością przekraczającą 9 odchyleń standardowych. To miara pewności. Dla porównania w fizyce cząstek próg odkrycia łączy się z 5 takimi odchyleniami, więc tu mamy wynik bardziej niż prawdopodobny. Zmierzona asymetria CP wskazuje (z podanymi w pracy niepewnościami statystyczną i systematyczną), że antycząstka B− „wybiera” ten badany kanał rozpadu ok. 3 razy częściej, czyli różnica między zachowaniem B+ i B− jest duża i dobrze uchwytna.

Autorzy nie poprzestali na samej częstości, tylko zbadali też, jak przebiega rozpad. W badanym kanale powstają cząstki, które można sobie wyobrażać jak bardzo małe kręcące się bączki (czyli mają własności związane ze spinem), a rozpad może preferować pewne ustawienia tych bączków względem kierunku lotu. Fizycy nazywają to polaryzacją. Zespół LHCb zmierzył, że około 72 proc. rozpadów zachodzi w konfiguracji podłużnej, czyli ustawionej bardziej wzdłuż kierunku ruchu niż w poprzek.

Wyniki nie oznaczają, że w CERN powstało więcej antymaterii niż materii, ani że antymateria jako taka szybciej się rozpada. W tej analizie liczby zrekonstruowanych mezonów B⁺ i B⁻ są zbliżone, a kluczowy efekt pojawia się dopiero w szczegółach tego, jak zachodzi dany rozpad. Łamanie CP polega na tym, że gdy porównamy konkretną ścieżkę rozpadu cząstki i antycząstki, to prawdopodobieństwo wybrania tej ścieżki nie musi być identyczne dla cząstki i antycząstki. To ważny wniosek, bo łamanie CP bierze się z nakładania się kilku możliwych dróg prowadzących do tego samego finału. Jeśli te drogi są do siebie podobne potrafią się wzmacniać albo osłabiać, jak dwie fale na wodzie. W analizie widać, że część związana z polaryzacją podłużną szczególnie mocno niesie informację o różnicy między materią i antymaterią.

Wśród ośrodków współtworzących to osiągnięcie są m.in. Akademia Górniczo-Hutnicza i Instytut Fizyki Jądrowej PAN oraz Narodowe Centrum Badań Jądrowych. W polskich zespołach powstaje część analizy danych, narzędzi obliczeniowych i kontroli jakości pomiaru. (PAP)

Nauka w Polsce

kmp/ agt/