A Fizikusok Elkapják Az Antianyagot és Az Anyag Nem Megfelelő Viselkedését

A nagy hadronütköző kísérletei finom különbségeket tárnak fel az anyag és az antianyag lebomlásának módjaiban.

A fizika egyik legnagyobb rejtélye az, hogy miért van egyáltalán anyag az univerzumban. Ezen a héten a világ legnagyobb atomrobbantójának, a nagy hadronütközőnek egy csoportja állhat közelebb a válaszhoz: Megállapították, hogy az ismert tárgyakat alkotó protonokkal és neutronokkal egy családba tartozó részecskék kissé másképp viselkednek antianyag társaiktól.

Míg az anyagnak és az antianyagnak ugyanazok a tulajdonságai vannak, az antianyag-részecskék töltéseik ellentétesek az anyagéval. Például egy vastömbben a protonok pozitív töltésűek, az elektronok pedig negatív töltésűek. Az antianyag-vas blokk negatív töltésű antiprotonokat és pozitív töltésű antielektronokat (positronokként ismert) tartalmazna. Ha az anyag és az antianyag érintkezésbe kerül, megsemmisítik egymást, és fotonokká (vagy esetenként néhány könnyű részecskévé, például neutrínóvá) alakulnak. Ezen kívül az anyagnak és az antianyagnak ugyanúgy kell viselkednie, sőt ugyanúgy kell kinéznie - a töltés-paritás (CP) szimmetriának nevezett jelenség. [A fizika 18 legnagyobb megoldatlan rejtélye].

Az azonos viselkedés mellett a CP-szimmetria azt is magában foglalja, hogy az Anyag és antianyag mennyiségének, amely körülbelül 13,7 milliárd évvel ezelőtt keletkezett a Nagy Bummban, egyenlőnek kellett volna lennie. Nyilvánvalóan nem az volt, mert ha ez lenne a helyzet, akkor a világegyetem összes anyagát és antianyagát eleve megsemmisítették volna, és még az emberek sem lennének itt.

De ha megsértenék ezt a szimmetriát, vagyis az antianyagok egy része viselkedne az anyag megfelelőjétől eltérő módon, talán ez a különbség megmagyarázhatja, miért létezik ma az anyag.

Ennek a szabálysértésnek a felkutatására a 17 milliméter hosszú (27 kilométer) gyűrű, a Large Hadron Collider fizikusai Svájc és Franciaország alatt egy lambda-b baron nevű részecskét figyeltek meg. A barionok a részecskék osztályát alkotják, amelyek a közönséges anyagot alkotják; a protonok és a neutronok barionok. A barionok kvarkokból készülnek, az antianyag-barionok pedig antikvarkokból. A kvarkoknak és az antikvarkoknak egyaránt hatféle íze van: fel, le, felül, alul (vagy szépségben), furcsa és bájos, ahogy a tudósok a különböző fajtákat hívják. A lambda-b egy felfelé, egy lefelé és egy alsó kvarkból áll. (A proton két felfelé és egy lefelé, míg egy neutron két lefelé és egy fel kvarkból áll.)

Ha a lambda és antianyag testvére CP-szimmetriát mutat, akkor várhatóan ugyanúgy bomlanak. Ehelyett a csapat megállapította, hogy a lambda-b és az antilambda-b részecskék eltérően bomlanak. A lambdák kétféleképpen bomlanak le: egy protonba és két töltött részecskébe, amelyeket pi mezonoknak (vagy pionoknak) neveznek, vagy egy proton és két K mezon (vagy kaon) alakjában. Amikor a részecskék elbomlanak, egy bizonyos szögben eldobják lánya részecskéit. Az anyag és az antianyag lambdas tette ezt, de a szögek különböztek. [7 furcsa tény a kvarkokról].

Nem ez az első eset, hogy az anyag és az antianyag másként viselkedik. Az 1960-as években a tudósok maguk is tanulmányozták a kaonokat, amelyek szintén más módon bomlottak le, mint antianyag társaik. A B mezonok - amelyek alsó kvarkból és egy felfelé, lefelé, furcsa vagy bájos kvarkból állnak - szintén hasonló "jogsértő" viselkedést mutattak.

A mesonok azonban nem egészen olyanok, mint a barionok. A mezonok kvarkok és antikarkok párjai. A barionok csak közönséges kvarkokból készülnek, az antibaronok pedig csak antikvarkokból. A barion és az antibarion bomlása közötti eltéréseket még soha nem figyelték meg.

"Most van valami a barionok számára" - mondta a WordsSideKick.com-nak Marcin Kucharczyk, az LHC kísérletben közreműködő Lengyel Tudományos Akadémia Nukleáris Fizikai Intézetének docense. "Amikor mezonokat figyeltél meg, nem volt nyilvánvaló, hogy a baronok esetében ugyanaz volt."

Bár az eredmények csábítóak voltak, az eredmények nem voltak elég szilárdak ahhoz, hogy felfedezésnek számítsanak. A fizikusok számára a statisztikai szignifikancia mértéke, amely annak ellenőrzésére szolgál, hogy az adatok véletlenül történhetnek-e, 5 szigma. A Sigma standard eltérésekre utal, az 5 pedig azt jelenti, hogy a 3,5 millióból csak 1 van esély arra, hogy az eredmények véletlenül történjenek. Ez a kísérlet elérte a 3,3 szigma-jó értéket, de még nem egészen ott. (Vagyis a 3,3 sigma azt jelenti, hogy körülbelül 1 az 4-ből 200-ba valószínű, hogy a megfigyelés véletlenszerűen történt volna, vagy körülbelül 99 százalékos konfidenciaszint.).

Az eredmények nem jelentenek teljes választ arra a rejtélyre, hogy az anyag miért uralja az univerzumot - mondta Kucharczyk.

"Ez nem magyarázhatja teljes mértékben az aszimmetriát" - mondta. "A jövőben több statisztikánk lesz, és talán más bárókra is."

Az eredményeket a Nature Physics folyóirat január 30-i számában részletezzük.

7 mindennapi dolog titokzatos fizikája

• A létezés 9 legtömegesebb száma
• Galéria: Az álmodozó képek felfedezik a fizika szépségét

.