CERN: cum se cercetează originea Universului folosind măsurători de precizie record

Ce s-a întâmplat la începutul Universului, chiar în primele momente?

Adevărul este că nu știm cu adevărat pentru că este nevoie de cantități uriașe de energie și de o precizie foarte mare pentru a recrea și a înțelege cosmosul pe scări de timp atât de mici în laborator.

Cu toate acestea, oamenii de știință de la Large Hadron Collider (LHC) de la CERN, Elveția, nu renunță.

Recent, in experimentul nostru LHCb s-a măsurat una dintre cele mai mici diferențe de masă dintre două particule, ceea ce ne va permite să descoperim mult mai multe despre enigmaticele noastre origini cosmice.

Modelul Standard al fizicii particulelor descrie particulele fundamentale care alcătuiesc Universul și forțele care acționează între ele. Particulele elementare  includ 6 quarcuri: up, down, strange, charm, top și bottom.

În mod similar, există 6 leptoni care includ electronul, un „văr” mai greu al acestuia numit miuon și un altul mai greu numit tauon, fiecare avand un neutrin asociat. Există, de asemenea, parteneri de antimaterie pentru toate quarcurile și leptonii, care sunt particule identice în afară de faptul că au o sarcină electrică opusă.

Modelul Standard a fost verificat experimental cu un grad incredibil de precizie, dar are unele deficiențe semnificative.

Acum 13,8 miliarde de ani, Universul a fost creat în Big Bang. Teoria sugerează că acest eveniment ar fi trebuit să producă cantități egale de materie și antimaterie. Totuși, astăzi, Universul este aproape în întregime format din materie, ceea ce este bine deoarece antimateria și materia se anihilează într-o fulgerare de energie atunci când se întâlnesc.

Credit:  Jurik Peter/Shutterstock

Unul dintre cele mai mari mistere din fizică este de ce există mai multă materie decât antimaterie. Au existat procese în Universul timpuriu care au favorizat materia în locul antimateriei? Pentru a ne apropia de răspuns, am studiat un proces în care materia se transformă în antimaterie și invers.

Quarcurile se unesc pentru a forma particule numite barioni, inclusiv protonii și neutronii care alcătuiesc nucleul atomic, sau mezoni, care constau din perechi quarc-antiquarc. Mezonii fără sarcină electrică suferă continuu un fenomen prin care se transformă, spontan, în particula lor de antimaterie și invers. În acest proces, quarcul se transformă într-un antiquarc și antiquarcul se transformă într-un quarc.

Acest lucru este posibil datorită mecanicii cuantice, care guvernează Universul la cea mai mică scară dimensională.

Conform acestei teorii, contrară intuitiei, particulele pot fi în multe stări diferite, în același timp, fiind în esență un amestec de mai multe particule diferite, o caracteristică numită suprapunere sau superpoziție cuantică.

Abia când îi măsurăm starea, particula „alege” una dintre acestea. De exemplu, un tip de mezon, numit D0, care conține quarcuri charm, se află într-o suprapunere a două particule normale de materie numite D1 și D2. Rata cu care mezonul D0 se transformă în antiparticula sa și revine înapoi, aceasta fiind o oscilație, depinde de diferența de masă dintre D1 și D2.

Mase mici

Nu sunt ușor de măsurat oscilațiile mezonilor D0, dar acest lucru s-a realizat, pentru prima dată, în anul 2007.

Cu toate acestea, până acum, nimeni nu a măsurat suficient de precis diferența de masă dintre D1 și D2 care determină cât de repede oscilează D0 în antiparticulele sale.

Mezonii D1 și D2 sunt o manifestare a suprapunerii cuantice a particulei D0 și a antiparticulelor acesteia. Credit:CERN

Asa cum am anunțat la conferința Charm, am măsurat un parametru care corespunde unei diferențe de masă de 6,4×10 ^-6 eV (o măsură a energiei) sau 10^-38 grame, una dintre cele mai mici diferențe de masă între două particule măsurate vreodată.

În consecință, am calculat că oscilația dintre D0 și partenerul său de antimaterie durează în jur de 630 picosecunde (1 ps = 10⁻¹² s). Poate parea un proces rapid, dar mezonul D0 nu trăiește mult, deoarece nu este stabil în laborator și se dezintegrează în alte particule după numai 0,4 picosecunde. El va dispărea de obicei cu mult înainte ca această oscilație să apară, ceea ce este o provocare experimentală serioasă.

Cheia este precizia. Știm din teorie că aceste oscilații urmează calea unui tip familiar de undă (sinusoidă). Măsurând foarte precis începutul undei putem deduce întreaga sa perioadă din moment ce îi cunoaștem forma. Prin urmare, măsurarea trebuie să atingă o precizie record, iar acest lucru a fost posibil datorită cantității fără precedent de particule charm produse la LHC.

Dar de ce este important acest lucru? Pentru a înțelege de ce Universul a produs mai puțină antimaterie decât materie trebuie să aflăm mai multe despre asimetria privind producerea acestora, proces cunoscut sub denumirea de încălcarea simetriei CP (sarcină-paritate).

S-a demonstrat deja că unele particule instabile se dezintegrează într-un mod diferit față de particula lor corespunzătoare de antimaterie. Acest lucru ar fi putut contribui la abundența materiei din Univers.

Vrem să găsim încălcarea simetriei CP în oscilațiile D0. Dacă începem cu milioane de particule D0 și milioane de antiparticule D0, vom avea mai multe particule de materie normală D0 după ceva timp?

Cunoașterea ratei de oscilație este un pas cheie către acest obiectiv. Deși de data aceasta nu am găsit o asimetrie, rezultatele noastre și măsurători de precizie suplimentare ne pot ajuta să o găsim în viitor.

Anul viitor LHC va porni după o lungă oprire și noul detector modernizat LHCb va obține mult mai multe date, sporind în continuare sensibilitatea acestor măsurători. Între timp, fizicienii teoreticeni lucrează la noi calcule pentru interpretarea acestui rezultat.

Programul experimental LHCb va fi, de asemenea, completat de experimentul Belle-II din Japonia. Acestea sunt perspective incitante pentru investigarea asimetriei materie-antimaterie și a oscilațiilor mezonilor.

Deși încă nu putem rezolva complet misterele Universului, ultima noastră descoperire a introdus o nouă piesă în puzzle. Noul detector LHCb modernizat va deschide ușa către o eră a măsurătorilor de precizie care au potențialul de a descoperi fenomene încă necunoscute și, poate, o noua fizică dincolo de Modelul Standard.

Traducere dupa Cern: how we’re probing the universe’s origins using record precision measurements