Физиков давно мучает вопрос: как наша Вселенная вообще могла развиться до звёзд, галактик и человечества? Согласно теории, во время Большого взрыва вещество и антивещество должны были возникнуть в равных количествах и аннигилировать. Однако этого не произошло, что привело к появлению наблюдаемой нами Вселенной. Антиматерия почти исчезла из нашего мира, а обычное вещество осталось и сформировало всё осязаемое в нём. Так что же пошло не так?

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E 3/3DNews

Согласно общепринятым теориям и многочисленным экспериментальным данным, материя и антиматерия отличаются исключительно знаками заряда. Соответственно, они подчиняются так называемой CP-симметрии (комбинированной чётности). Проще говоря, если во всей Вселенной поменять заряд всех частиц и инвертировать их пространственные координаты — своего рода создать зеркальную Вселенную из антиматерии, — то законы физики не изменятся. Однако это верно лишь в том случае, если частицы и античастицы различаются исключительно знаком заряда. И всё же такое объяснение не учитывает отсутствие антиматерии в наблюдаемой Вселенной.

Если же обнаружить признаки нарушения CP-симметрии, это могло бы объяснить, почему материи и антиматерии оказалось не поровну и какие ещё, пока скрытые от нас, отличия существуют между ними.

Признаки нарушения CP-симметрии у мезонов (фермионов) впервые были обнаружены в 1964 году, за что в 1980 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Однако для барионов, составляющих подавляющее большинство видимой материи во Вселенной (в первую очередь нейтронов и протонов), такие признаки до недавнего времени не фиксировались. Их обнаружение стало бы решающим шагом к объяснению «несимметричной» Вселенной.

Так было до конца марта 2025 года, когда ЦЕРН официально объявил о получении статистически значимых доказательств нарушения CP-симметрии для частиц семейства барионов. Физики коллаборации LHCb изучили данные первых двух циклов экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК). Они искали различия в скорости распада частиц и античастиц, таких как прелестные лямбда-барионы (Λb). Если бы эти частицы были идентичны во всём, кроме знака заряда, то отличий в их распаде не наблюдалось бы.

Исследователи проанализировали 80 тысяч распадов, зафиксированных во время запусков БАК в период с 2009 по 2018 год. В результате была обнаружена разница в 2,45 % между распадами материи и антиматерии. Это составляет 5,2 стандартных отклонения (сигма), что является достаточно значимым расхождением, чтобы признать наблюдение нарушения CP-симметрии научным открытием.

«Причина, по которой потребовалось больше времени для обнаружения нарушения CP-симметрии у барионов по сравнению с мезонами, заключается в размере эффекта и объёме доступных данных, — пояснил представитель коллаборации LHCb Винченцо Ваннони (Vincenzo Vagnoni). — Нам была необходима установка вроде Большого адронного коллайдера, способная производить достаточное количество прелестных барионов и их античастиц, а также эксперимент, позволяющий точно определить продукты их распада».

«Чем больше систем, в которых мы наблюдаем нарушение CP-симметрии, и чем точнее измерения, тем больше у нас возможностей для проверки Стандартной модели и поиска физики за её пределами», — добавил учёный.

ЦЕРН сообщил, что научная коллаборация ALICE впервые обнаружила самые тяжёлые на сегодня экзотические частицы и их антиподы из антивещества. Учёных давно волнует проблема, по какой причине в нашем мире много материи и практически полностью отсутствует антиматерия. Материя и антиматерия должны были появиться в равных пропорциях, но в какой-то момент после Большого взрыва что-то пошло не так и антивещество почти исчезло из Вселенной. Ответ ищут в БАКе.

Источник изображения: Janik Ditzel / ALICE collaboration

Ранее в этом году коллаборация STAR на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) наблюдала антигиперводород-4 (antihyperhydrogen-4). Это связанные состояния антипротона, двух антинейтронов и антилямбды. Всё это антиматерия, эксперименты с которой позволяют разобраться в причинах дисбаланса вещества и антивещества во Вселенной. В коллаборации ALICE, работающей в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере (БАК), решили пойти дальше и найти следующий по тяжести атом и его версию в виде антивещества.

Примечательно, что обнаружить следы новых частиц помог искусственный интеллект. Учёные взяли данные по экспериментам 2018 года, где на БАК сталкивались два пучка ионов свинца. Программа впервые смогла выявить признаки антигипергелия-4 (antihyperhelium-4) — антиматерии по отношению к экзотическому гипергелию-4. Атом антигипергелия-4 состоит из двух антипротонов, антинейтрона и антилямбды. Полученный результат имеет значение в 3,5 стандартных отклонения (сигма), а также представляет собой первое свидетельство существования самого тяжёлого гиперядра из антивещества, когда-либо полученного на БАКе.

Также в данном разборе было обнаружено ядро антигиперводорода-4 со стандартным отклонением на 4,5 сигма. Сотрудники ALICE подтвердили открытие своих коллег и смогли измерить выходы и массы обоих гиперядер. Надо сказать, что впервые гиперядра были обнаружены около 70 лет назад при распаде в атмосфере космических частиц. Учёные могут только завидовать космической энергии таких частиц, уровень которой едва ли возможно повторить в земных лабораториях.

К слову, антигипергелий-4 возник на БАК при энергии столкновений 5,02 ТэВ (тераэлектронвольт), что просто меркнет на фоне рекордных регистраций космических частиц с энергией в сотни эксаэлектронвольт, а это разница до восьми порядков.

Зарегистрированный учёными выход антигипергелия-4 равен единице, что означает, что он поровну образуется с атомами гипергелия-4. Учёные снова убедились, что вещества и антивещества во Вселенной должно быть поровну. Ищем причину асимметрии дальше.

Международная группа учёных получила самые тяжёлые атомы антиматерии, когда-либо созданные в коллайдере на Земле. Антивещество антигипергидроген-4 появилось в установке RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. Исследованием руководили китайские учёные, которые сообщили о достижении. Это шаг к новым знаниям, который поможет человечеству продвигаться вперёд в своём развитии.

Источник изображения: Institute of Modern Physics, China

Изучение антиматерии даёт подходы к поиску новой физики или к объяснению дисбаланса в соотношении вещества и антивещества, возникшего вскоре после Большого взрыва. Если бы материи и антиматерии было поровну или они были бы полностью идентичны, за исключением знака заряда, то Вселенная не возникла бы. Произошло бы взаимное уничтожение вещества и антивещества с выделением энергии. Между тем, мы наблюдаем материальную Вселенную вокруг нас, а антиматерия, если и встречается в природе, то в крайне редких случаях. В основном её производят в лабораториях, включая столкновения частиц в коллайдерах.

Как вариант, возникло предположение, что вещество и антивещество могут отличаться по всё ещё неуловимым для наших приборов свойствам, а не только полярностью заряда. Поэтому так важно проводить эксперименты на коллайдерах, изучая все доступные параметры антиматерии в широком спектре веществ. Получение на коллайдере RHIC атомов (ядер) антигипергидрогена-4 относится к таким экспериментам, позволяя измерить массу, энергию и другие свойства конкретно этого антивещества для их сравнения с обычным гипергидрогеном-4.

Полученные в результате работы коллайдера RHIC атомы антигипергидрогена-4 состоят из антипротона, двух антинейтронов и антигиперона. Последние редки в экспериментах (как и гипероны), но, по сути, это чуть более тяжёлые версии антинейтрона. Гипероны и антигипероны отличаются очень малым временем жизни — около одной десятой наносекунды. Поэтому сами по себе ядра антигипергидрогена-4 не обнаруживаются на регистрирующем оборудовании. Зато остаются следы их распада (треки), по которым можно восстановить исходную картину.

Из 6,6 млрд столкновений удалось уверенно идентифицировать всего 16 ядер антигипергидрогена-4. Это немного, но достаточно для оценки их свойств. Исследователи продолжат эксперименты, чтобы набрать больше данных по этому антивеществу — пока самому тяжёлому, которое было получено на коллайдере. Это поможет проверить наши физические теории и, возможно, указать новое направление для их развития, если удастся узнать что-то новое и необычное об антиматерии.

Эксперимент на установке ALPHA-g в ЦЕРН позволил ответить на вопрос, как гравитация воздействует на антиматерию. Более ста лет назад на этот вопрос теоретически ответил Эйнштейн, но экспериментально подтвердить его слова учёные смогли только сейчас.

Источник изображения: Pixabay

К сожалению или к счастью, чуда не случилось. Эйнштейн оказался прав. Гравитация примерно одинаково воздействует как на материю, так и на её физически зеркального двойника с противоположным зарядом — антиматерию. Почему примерно? Поставленный эксперимент не дал достаточно точных измерений. Следующая модернизация установки ALPHA-g позволит на два порядка повысить точность измерений, и тогда можно будет говорить о значимых для расчётов значениях.

Точное знание о том, как гравитация воздействует на антиматерию, может стать толчком к развитию тех или иных гипотез об эволюции вещества во Вселенной. Пока в этом есть великая тайна. Примерно 13,4 млрд лет назад произошёл Большой взрыв, в ходе которого в пространстве-времени возникло поровну материи и антиматерии. В теории вещество и антивещество должно было аннигилировать при столкновении друг с другом и это привело бы к исчезновению зародыша Вселенной вскоре после его рождения. Но всё, что мы видим вокруг опровергает такой сценарий, иначе нас не было бы тоже.

Из сказанного выше следует, что вещество и антивещество могут в чём-то неуловимо для нас отличаться по ряду физических свойств, а не только по знаку заряда. Например, это могло бы быть в отношениях с гравитацией. Если бы она по-разному воздействовала на материю и антиматерию, то это могло бы объяснить, почему после рождения вещества и антивещества не произошло их взаимного уничтожения — гравитация просто развела бы их по разным углам ринга.

Воздействие гравитации на вещество на уровне системных экспериментов провёл Галилей, роняя предметы с вершины Пизанской башни. С антивеществом такое провернуть нельзя. Его можно получать на ускорителях, но на уровне сотен атомов. И всё же, даже такого мизерного количества антиматерии оказалось достаточно для оценки воздействия на него земной гравитации.

В эксперименте на установке ALPHA-g учёные собирали в вертикально расположенной ловушке атомы антиводорода. Система магнитов компенсировала электромагнитные поля, на фоне которых воздействие гравитации вообще не было бы заметно. После накопления в ловушке около сотни атомов антиводорода ловушка открывалась, и атомы покидали её вверх и вниз. Подсчёт упавших вниз атомов и оценка их характеристик, включая скорость падения (всё это — по косвенным измерениям в процессе аннигиляции материи и антиматерии), позволили определить постоянную свободного падения антиводорода. Она оказалась равна 9,8 м/с² — как и у обычного вещества.

Чтобы окончательно убедиться в одинаковом воздействии гравитации на вещество и антивещество точность измерения будет постепенно увеличиваться, что позволит отбросить массу альтернативных теорий взаимодействия гравитации и антиматерии.