Didžiojo sprogimo blyksnis: materijos egzistavimo paslapties sprendimas

Keista, tačiau virtuvės spintelėje, įgrūstas pietų krepšyje, ar nukištas į stalčių bananas yra vienos iš didžiausių visatos paslapčių įsikūnijimas, laukiantis, kol bus nuluptas.

Kad ir koks būtų jo sunokimas, šis bananas sudarytas iš materijos dalelių, kaip ir jūs: būtent dėl jo įgimto materialistiškumo jį galime matyti, justi ir ragauti. Tačiau nematome, ką bananas daro maždaug 15 kartų per dieną. Žybsi! Jis sukuria dalelę kažko, kas beveik išsyk pranyksta šviesos žybsnyje.

Tas kažkas yra antimaterija.

Antimaterijos išprognozavimas ir vėlesnis atradimas laikomas didžiuliu fizikos triumfu. Tai visas veidrodinis pasaulis dalelių, kurių masė identiška normaliai materijai, tačiau elektros krūvis priešingas. Bet tai veikiau jau pavėluoti svarstymai. Mūsuose antimaterijos dalelės atsiranda tik aukštos energijos kosminiams spinduliams veikiant atmosferą, arba vykstant radioaktyviesiems skilimams – pavyzdžiui, tokiuose, kokie vyksta su kiekviename banane esančiu mikroskopiniu radioaktyvaus kalio-40 kiekiu.

Viena vertus, čia nieko keisto, turint omeny, kad susitikusios materija ir antimaterija viena kitą anihiliuoja, palikdamos energijos pliūpsnį šviesos forma. Mūsiškiame, materijos valdomame pasaulyje antimaterija tiesiog neturi šansų. Bet materialus pasaulio pagrindus studijuojantiems fizikams šis disbalansas neduoda ramybės. Pagal geriausias jų teorijas, Didysis sprogimas (DS) turėjo sukurti tiksliai po lygiai materijos ir antimaterijos. Po jos sekusioje anihiliacijos orgijoje kosmosas turėjo likti užpildytas vien šviesa.

Bet taip nenutiko. Dėl kažkokio nukrypimo visatos pradžioje dalis materijos išliko – iš jos dabar sudaryta viskas, nuo bananų iki juodųjų bedugnių, nuo jūsų arkliukų iki žvaigždžių. Nereikėjo didelio nukrypimo – skaičiavimai rodo, kad pakanka vienos dalies iš milijardo. „Būtent ta viena dalis iš milijardo ir suformuoja visatą, kurioje esame,“ sako fizikė Tara Shears iš Liverpoolio universiteto, JK. Bet kaip tai nutiko?

Tarptautiniame Ženevos oro uoste, Prancūzijos ir Šveicarijos pasienyje, lengva nepastebėti kad vos už kilometro požemyje nagrinėjami tokie gilūs klausimai. Lėktuvai kyla ir leidžiasi visai šalia pastato, kuriame įsikūręs Shears vykdomo eksperimento, LHCb, kontrolės kambariai. Šis CERN LHC – 10 milijardų dolerių vertės dalelių daužytuvas, užkastas šalia Ženevos – detektorius nėra toks žymus, kaip du didesnieji jo pusbroliai, ATLAS ir CMS. Jie pelnė šlovę 2012 m. bendrai atradę Higgso bozono dalelę, ženklą visa persmelkiančio lauko, suteikiančio materijos dalelėms masę.

Bet LHCb siekis dar svarbesnis.

LHCb pavadinime „b“ reiškia „beauty“ (grožis) – ne salonų, bet kvarkų. Kvarkai yra fundamentaliosios dalelės, esančios protonuose, kuriuos LHC daužo į šipulius. Yra šeši kvarkų tipai, ir visi turi keistą savybę, kad jie niekada nebūna po vieną, bet susiburia į didesnes sudėtines daleles, sudarytas iš dviejų, trijų ar gal net daugiau kvarkų (žr. „Tetra… kas?“). Pavyzdžiui, protonai yra sudaryti iš trijų lengviausių – dviejų aukštyn ir vieno žemyn kvarko.

Šiais laikais gražusis (beauty) kvarkas proziškiau vadinamas apatiniu (bottom), arba tiesiog b. Jis daug masyvesnis, nei aukštyn ir žemyn kvarkai, bet dėl Einšteino E = mc², didesnės masės kvarkai gali būti sukuriami iš LHC protonų susidūrimų išlaisvinamos energijos. Vienas pavyzdys galėtų būti dalelės, vadinamos B mezonais, kuriose yra b kvarkas arba jo antimaterinis atitikmuo, ir dar vienas kitas kvarkas.

B mezonai gali padėti atskleisti materijos pergalės prieš antimateriją paslaptį. Norėdami suprasti, kodėl, turime laikrodį pasukti 50 metų atgal, iki septintajame dešimtmetyje atrasto CP (Charge Parity – krūvio pariteto) pažeidimo fenomeno atradimo. Jamesas Croninas ir Valas Fitchas vėliau laimėjo 1980-ųjų Nobelio premiją fizikoje už parodymą, kad tam tikromis sąlygomis antidalelės skyla kitaip, nei jų dalelių atitikmenys.

Tai buvo būtent tas dalykas, kuris galėtų paaiškinti materijos dominavimą, bet nelaimei, šis efektas buvo pernelyg silpnas, kad paaiškintų net vienos milijardosios disbalansą. Vėlesni eksperimentai, tokie, kaip, pavyzdžiui BaBar SLAC Nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje Kalifornijoje ir Belle KEK laboratorijoje Japonijoje, parodė, kad CP pažeidimas pasireiškia ir yrant dalelėms, turinčioms b kvarkų, ir šis disbalansas didesnis (žr. pav.). „Materijos ir antimaterijos b kvarkų elgesys skiriasi labiausiai iš visų tirtų fundamentaliųjų dalelių,“ sako Shears. „Nežinome, kodėl taip yra, tačiau tai reiškia, kad galime išmatuoti jį tiksliau.“

Tačiau negi šiuo atveju žinomų dalelių skilimai gali paaiškinti tik maždaug vieną dalį iš trilijono CP pažeidimo, kurio reikėtų visatos paaiškinimui. Tuo tarpu Higso bozono atradimas tik dar pagilino paslaptį. Jo 125 GeV (gigaelektronvoltų) masė ir stebėtas skilimo greitis nuobodžiai gerai atitinka dalelių Standartinio modelio (SM), teorinės konstrukcijos, kruopščiai kurtos ilgus dešimtmečius, prognozes. Jeigu prognozės būtų buvusios paneigtos, tai galėtų nurodyti dar nežinomų dalelių įtaką – kurios galėtų būti kitu CP pažeidimo šaltiniu.

Deja, deja. „Žinomų CP pažeidimo tipų, turimų lygtyse, nepakanka. Dabar, kai žinome daugiau apie Higso dalelę, jos negana dabartinės visatos materijos ir antimaterijos asimetrijos paaiškinimui,“ sako Matt Strassler, fizikos teoretikas iš Harvardo universiteto. „Žmonės ieško kokių nors klaidų lygtyse, ko nors negero SM, ko nors už jo ribų.“

Ir netikėtai dėmesys grįžta prie B mezonų. „Grožio fabrikai“ BaBar ir Belle sutrenkia elektronus ir jų antimaterinius atitikmenis, pozitronus, milijardų elektronvoltų energija – tiek pakanka tik apčiuopiamam skaičiui pačių lengviausių B mezonų sukurti. Bet norint rasti nors kiek prasmingą atsakymą į materijos dominavimo klausimą, reikia atkurti energingesnes pirmykštės kosminės sriubos sąlygas.

Po dviejų metų neveikimo, tikimasi, LHC sukurs susidūrimus, išlaisvinančius 13 TeV energijos, daugiau, nei bet kada anksčiau, taip priartindamas mus prie tikslo. Rezultatai gal net galėtų atverti plyšį tarp eksperimentų ir SM prognozių. „Išaugus energijai, gaunama daugiau B dalelių, kas leidžia atlikti jautresnius CP pažeidimo tyrimus dar netirtose srityse,“ pažymi LHCb fizikas Sheldon Stone iš Syracuse universiteto Niujorko valstijoje.

Ir LHCb yra tam pritaikytas. Jis yra gan maža žuvis dideliame tvenkinyje – ar tiksliau, turint omeny LHC 27 km apskritą struktūrą, labai dideliame kanale. ATLAS ir CMS kainuoja po septynis kartus brangiau ir juose dirba tris kartus daugiau tyrėjų. Bet kitaip, nei šiose bendro paskirties detektoriuose, pastatytuose aptikti visokiausias daleles, atsirandančias LHC energingų susidūrimų šurmulyje, LHCb yra išrankesnis. ATLAS ir CMS yra cilindriški, visiškai supantys protonų susidūrimo tašką, LHCb detektoriai yra konuso ar pleišto formos, o susidūrimai vyksta smailiajame gale.

Toks eksperimentas daug nejautresnis ieškant Higso bozonų, kurie linkę rastis dideliu kampu už LHCb aptikimo zonos. Bet jis puikiausiai tink B mezonų aptikimui, kurie paprastai sukuriami išilgai pradinio protonų spindulio. „Tam tikriems matavimams LHCb yra geriausias,“ sako Strassler.

Tai nereiškia, kad aptikti B mezonus yra vaikų žaidimas. Jie sukuriami, skriejantys beveik šviesos greičiu ir prieš suirdami, egzistuoja vos 10⁻¹² sekundės prieš suirdami. Tai nėra ilgai, tačiau ištisa amžinybė, lyginant su kai kuriomis kitomis dalelėmis: pavyzdžiui, turinčios dar sunkesnius viršutinius kvarkus, suyra vos po 10⁻²⁰ [palyginimui, toks santykis yra tarp 38 mėnesių ir vienos sekundės]. O svarbiausia, tai reiškia, kad B mezonai palieka charakteringą centimetro ar panašiai ilgio pėdsaką LHCb jutikliuose – pakankamai ilgą, kad LHCb analitikų komanda galėtų jų imtis. „Tai mes ir darome,“ sako Stone. „Tuo mes gyvename.“

Naujausi rezultatai, gauti prieš LHC išjungimą, pateikti anksčiau šiais metais konferencijoje, vykusioje Italijoje, La Thuile mieste, rodė kai ką įdomaus. Jie patvirtino ankstesnes užuominas apie nuokrypius nuo standartinio modelio prognozių retuose B mezonų skilimuose į K mezonus ir du miuonus, sunkesnes elektronų versijas. Signalas dar nėra pakankamai patikimas, kad galėtų nurodyti, ar už anomalijas atsakinga kažkokia nežinoma fizika ir ar tai gali padėti paaiškinti materijos paslaptį. Šio klausimo aiškinimasis yra LHCb fizikų prioritetas, kai LHC bus iki galo įjungtas.

Dar bus domimasi kitokių b kvarkų turinčių dalelių, „B-sub-s“, arba keistųjų B mezonų, skilimu. B-antikvarkų ir keistojo kvarko junginys gali pakisti į savo antidalelę neįtikėtinai greitai, tad stebėjimas, ar atvirkštinis procesas vyksta taip pat, galėtų suteikti dar vieną CP pažeidimo tyrimų būdą. Taip pat, tris kartus iš milijardo, ji skyla į miuoną ir antimiuoną. Gal toks skilimas ir retas, bet jo galutinę būseną labai lengva stebėti, nes miuonai palieka pėdsakus jutikliuose iki pat išorinio sluoksnio. Todėl tai yra naujos fizikos paieškų „auksinis kanalas“, sako Shears.

Čia įdomu gali būti ne tik CP pažeidimas, bet ir tokių teorijų kaip supersimetrija, numatytų fenomenų užuominos. Pagal SUSY, egzistuoja daugybė egzotiškų dalelių ir ji gali paaiškinti daug dalykų, kurių standartinis modelis nepajėgia, tarkime, kodėl taip skiriasi fundamentaliųjų sąveikų stipris ir tamsiosios materijos, sudarančios daugumą kosmoso medžiagos, prigimtį. Bet jei šios dalelės išties egzistuoja, jų masė tokia didelė, kad nei LHC, nei koks kitas dalelių greitintuvas iki šiol jų nėra sukūręs (kovo 7 d., psl. 30).

Retieji B mezonų skilimai turėtų būti itin jautrūs neregėtųjų masyviųjų dalelių įtakai, ir gal suteiks LHCb eksperimentui gudrų būdą įrodyti jų egzistavimą ir be tiesioginio jų aptikimo. Bet koks nukrypimas nuo laukiamo B mezonų skilimo tempo gali reikšti pasislėpusių dalelių „vaiduoklišką“ įtaką, paaiškina Guy Wilkinson iš Oksfordo universiteto, LHCb bendradarbiavimo vadovas.

Keistasis B mezono skilimas yra toks neįprastas, kad ligšioliniai eksperimentai užfiksavo labai nedaug jų pavyzdžių, nors LHCb ir CMS užfiksavo tai 2013 m. Daugiau stebėjimų atnaujintuoju LHC gali viską pakeisti. „Jei tam tikri supersimetrijos variantai yra tikroji visatos prigimtis, tada keičiamas šių dalelių elgesys, ir gali generuoti šias miuonų poras rečiau ar dažniau,“ sako Shears. „Tai labai labai tikslus tyrimas to, kas ten gali būti.“

Kaip bebūtų, konkrečiai šis irimas dar nepateikė jokių įžvalgų, kodėl materijos ir antimaterijos lemtis buvo tokia skirtinga. „Deja, viskas atitinka mūsų spėjimus,“ apgailestauja Shears.

Truputį juokinga girdėti eksperimentinės fizikos specialistą besiskundžiant idealiu teorijos ir eksperimentų rezultatų atitikimu, bet būtent tai girdėti Stone'o kalboje. „Tai nieko tokio,“ sako jis apie iki šiol atliktus keistųjų B mezonų atradimus, bet paskui stabteli ir pasitaiso: „Rezultatai yra svarbūs, tačiau jie, deja, patvirtino standartinį modelį. Štai kokia problema.“

Šis noras kažko naujo tęsis, kol bus atsakytas egzistencinis klausimas, kas sukėlė nuokrypį visatos pradžioje.

Galbūt, tik galbūt, LHCb bus eksperimentas, patenkinsiantis tą ilgesį. „Pirmą kartą jungiamės į režimą, kur tai, ką reikia pamatyti ir ką išties norime pamatyti, yra netikėta,“ sako Shears.

O jei greitai nerasime įtikinančio aplink esančios materijos paaiškinimo – ką gi, tai bus puiki priežastis valgyti daugiau bananų.