Рис. 1. Детектор BESIII, вид сбоку. Кредит: ИФВЭ

В физике частиц каждому виду частиц соответствует античастица. Стандартная теория Большого взрыва говорит нам, что в начале Вселенной должно было быть одинаковое количество материи и антиматерии. Однако все имеющиеся данные указывают на то, что наблюдаемая Вселенная состоит преимущественно из барионов, а не из антибарионов, что уже более полувека ставит в тупик научное сообщество. Следуют ли материя и антиматерия разным законам физики?

В настоящее время физики считают, что для объяснения динамического происхождения барион-антибарионной асимметрии законы физики должны учитывать процессы, нарушающие зарядовое сопряжение и четную (СР) симметрию. Короче говоря, CP-симметрия означает, что частицы и античастицы подчиняются одним и тем же законам. Например, закономерности распада частиц и античастиц должны быть одинаковыми. Чтобы объяснить барион-антибарионную асимметрию, CP-симметрия должна быть нарушена в большей степени, чем это предсказывалось до сих пор чрезвычайно успешной Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Исследователи из коллаборации BESIII использовали странные барионы, чтобы пролить свет на СР-нарушение. Странные барионы состоят из трех кварков, как и протоны, но содержат один или несколько более тяжелых и нестабильных странных кварков. Наблюдая за распадом странного кварка, можно определить ориентацию спина бариона.

В BESIII в аннигиляциях электронов с позитронами создаются системы двухстранных пар барион-антибарион. Новые результаты показывают, что возникающие пары барион-антибарион имеют предпочтительное направление.

Более того, направления вращения бариона и антибариона коррелируют из-за квантовой запутанности. Изучение угловых распределений продуктов распада таких систем позволяет выделить вклад СР-нарушающих процессов, описываемых ненулевым значением так называемой слабой фазы. Эта фаза никогда не измерялась напрямую до тех пор, пока не был получен результат BESIII, как описано в статье в Nature.

Хотя в проанализированной выборке данных не наблюдалось никаких признаков нарушения CP, этот экспериментальный метод может быть применен к большим наборам данных, собранным в BESIII или на будущих объектах. Исследователи надеялись наблюдать сигнал нарушения CP такого размера, который либо подтверждает, либо исключает предсказания Стандартной модели.

Эксперимент BESIII проводится Институтом физики высоких энергий Китайской академии наук, расположенным в Пекине, Китай, и был инициирован в 2009 году. BESIII — это международное сотрудничество, в котором участвуют около 500 физиков из 17 разных стран Азии, Европы и Америки.