Если бы в начале развития Вселенной не произошел загадочный процесс, приведший к барионной асимметрии, преобладанию вещества над антивеществом , то мир был бы куда скучнее. Есть ряд гипотез, почему так вышло. Одна из них — нарушение CP-симметрии, что могло привести к значительным отличиям между античастицами и частицами, и последних оказалось чуть-чуть больше. Эксперименты по измерению свойств антиматерии крайне сложны ввиду трудностей в ее получении и удержании. Результат одного из них был опубликован в октябре прошлого года в Nature: ученые измерили магнитный момент антипротона, который совпал с моментом протона с хорошей точностью. «Вселенная не должна существовать», — под такими заголовками пошел эксперимент в СМИ.
Тимофей Углов, к.ф.-м.н, с.н.с. лаборатории физики высоких энергий МФТИ, замруководителя образовательной программы «Физика фундаментальных взаимодействий и элементарных частиц»
Оригинальная статья, вышедшая в Nature, посвящена описанию эксперимента по прецизионному измерению магнитного момента антипротона. Точность измерений улучшилась приблизительно в 350 раз. Результаты измерений оказались совпадающими с предсказаниями основной теории физики элементарных частиц — Стандартной модели, господствующей на протяжении последних 50 лет. Таким образом, проведенное исследование лишь подтверждает Стандартную модель. Фразы «All of our observations find a complete symmetry between matter and antimatter, which is why the universe should not actually exist» («Все наши наблюдения показывают полную симметрию между материей и антиматерией, что означает, что на самом деле наша Вселенная не должна существовать»), распространяемой со ссылкой на одного из авторов исследования, Кристиана Сморру, в статье в Nature нет.
Измерения, сделанные группой Cморры, позволяют проверить сохранение одной из фундаментальных симметрий, так называемой CPT-симметрии, т. е. симметрии нашего мира относительно одновременного изменения знака всех зарядов (C), отражения пространственных координат (P) и обращения времени (T). CPT-симметрия лежит в основе Стандартной модели, и обнаружение любых отклонений от нее привело бы к радикальному пересмотру современной картины мира. Что касается возможности создания Вселенной с доминированием материи над антиматерией из изначально симметричного состояния, академик Андрей Сахаров в своей знаменитой статье 1967 года показал, что для этого достаточно соблюдения трех условий: несохранения барионного числа, отсутствия термодинамического равновесия на определенном этапе развития Вселенной и CP-нарушений (не CPT!). Впервые CP-нарушения были открыты Джеймсом Крониным и Валом Фитчем в 1964 году при изучении распадов нейтральных каонов, а коллаборациями Belle и BaBar в 2001 году — в распадах прелестных мезонов. Оба открытия были удостоены Нобелевской премии (1980, 2008). Открытый механизм CP-нарушения не обеспечивает необходимой асимметрии между материей и антиматерией для существования нашего мира, и прямо сейчас новый эксперимент, Супер-B-фабрика Belle II, в котором принимают активное участие и ученые из МФТИ, приступает к поиску новых источников асимметрии.
Другими словами, следует читать официальный текст статьи, опубликованной в реферируемом журнале. Публикации в около- и ненаучной прессе часто основываются на вырванных из контекста фразах, а их авторы, к сожалению, падки на сенсации.
Алексей Нефедьев, д.ф-м.н, кафедра теоретической астрофизики и квантовой теории поля МФТИ
В журналистике броский заголовок есть половина дела, хотя в данном случае процитированы слова одного из непосредственных участников эксперимента, сказанные для пресс-релиза Майнцского университета, одной из ключевых структур в коллаборации BASE, которая и сделала обсуждаемое измерение. Что ж, иногда и физикам не вредит дополнительное внимание общественности, насчет чего и следует отнести данное высказывание о том, что Вселенная якобы не должна существовать.
Если говорить о сути проблемы более серьезно, то ничего драматического не произошло. Просто еще один довольно прецизионный тест Стандартной модели не обнаружил отклонения от нее. По крайней мере, на уровне той точности, на которую он мог претендовать. Хорошо это или плохо? С одной стороны, приятно сознавать, что теория, построенная несколькими поколениями физиков, прекрасно работает. С другой стороны, хочется какого-то продвижения вперед, чего-то нового. Очень хочется. Причем самим физикам в первую очередь. Именно поискам «Новой физики», то есть физики за рамками Стандартной модели, уделяется большое внимание при написании физической программы любого современного эксперимента в области физики частиц. И такая физика точно должна быть, потому что Теория Всего, если она существует, явно не ограничивается Стандартной моделью.
Барионная асимметрия является одним из примеров проблемы, решения которой в рамках Стандартной модели нет. Но важно помнить, что различие в свойствах частиц и античастиц, которое искали, но не нашли в данном эксперименте, представляет собой лишь одну из возможностей объяснения такой асимметрии. Результат эксперимента, а его трудно назвать отрицательным, поскольку было проведено очередное высокоточное измерение магнитного момента антипротона, вполне важен и интересен. И он вовсе не означает, что Вселенная не должна существовать. Просто или достигнутой точности эксперимента еще не достаточно, чтобы обнаружить искомый эффект, или искать причину такой асимметрии следует в другом месте — недостатка в моделях и предположениях нет.
Если немного пофантазировать и представить себе, что эксперимент установил бы различие в свойствах протона и антипротона с достаточным уровнем достоверности, то это, разумеется, придало бы мощный импульс развитию теории за рамками Стандартной модели. Но уж точно это не привело бы к «похоронам» ее самой. Она всего лишь официально перешла бы из разряда фундаментальной теории в разряд теории эффективной, то есть работающей в определенном ограниченном интервале энергий.
Юрий Куденко, д.ф.-м.н, профессор, руководитель лаборатории электрослабых взаимодействий отдела физики высоких энергий ИЯИ РАН
Сравнение величин магнитных моментов протона и антипротона является тестом СРТ-симметрии. Еще более чувствительным тестом является измерение разности масс нейтрального каона и анти-каона. Однако, эти измерения не имеют прямого отношения в барионной асимметрии Вселенной (BaU). Основная проблема заключается в том, что СР-нарушение в кварковом секторе (распада каонов и В-мезонов) недостаточно для объяснения BaU. Не хватает примерно 10 порядков. При этом СРТ-симметрия, естественно, сохраняется, и дальнейшее подтверждение ее сохранения, например, в измерениях с антипротонами, никак не приводит к утверждениям “…что нашей Вселенной не должно быть”. Одним из возможных путей решения загадки BaU может стать открытие СР-нарушения в нейтринных осцилляциях. Однако и здесь будет трудно осуществить связь между возникшей разностью между числом барионов и антибарионов в ранней Вселенной и нарушением СР-симметрии в лептонном секторе (нейтринных осцилляциях) Стандартной Модели. Действительно, BaU — это загадка, и пока нет ясного понимания и подходов к ее отгадке.
