CERNは、宇宙で消えた反物質の謎への別の手がかりを発見しました

これは、物理学の最大の謎の1つです。私たちの周りの問題を構成するすべての粒子（電子とプロトン）には、ほぼ同一のバージョンの反物質がありますが、反対の電荷などの鏡面特性があります。

反物質と物質の粒子が出会うとき、それらはエネルギーのバーストで全滅します。

反物質と物質が実際に同一であるが、お互いの鏡像である場合、それらはビッグバンの間に等しい量で生産されるべきでした。問題は、それがすべてを破壊するということです。しかし、今日、宇宙にはほとんど反物質が残っていません-それはいくつかの放射性崩壊と宇宙線のごく一部にのみ現れます。

それで彼に何が起こったのですか？ CERNでのLHCb実験を使用して、物質と反物質の違いを研究し、この違いを生み出す新しい方法を発見しました。

反物質の存在は、1928年の電子の動きを説明する物理学者PaulDiracの方程式によって予測されました。これが単なる数学的な癖なのか、それとも実際の粒子の説明なのかは、最初は不明でした。

しかし1932年、カールアンダーソンは、宇宙から地球に降り注ぐ宇宙線の研究で、電子のパートナーであるポジトロンである反物質を発見しました。次の数十年にわたって、物理学者は物質のすべての粒子が反物質パートナーを持っていることを発見しました。

科学者たちは、ビッグバンの直後の非常に暑くて密集した状態では、問題が反物質を好むプロセスが行われるべきだったと信じています。これによりわずかに過剰な物質が生成され、宇宙が冷えると、すべての反物質が同量の物質によって破壊または消滅し、わずかに過剰な物質が残りました。

そして、今日私たちが宇宙で目にするすべてのものを構成するのは、この過剰です。

どのプロセスが黒字につながったかは正確には不明であり、物理学者はこれを何十年も注意深く見守ってきました。

レプトンとともに物質の基本的な構成要素であるクォークの振る舞いは、物質と反物質の違いに光を当てることができます。クォークには、トップ、ボトム、チャーミング、奇数、勤勉、真として知られるさまざまな種類または「フレーバー」に加えて、6つの一致するアンチクォークがあります。

アップクォークとダウンクォークは、通常の物質の核内のプロトンと中性子を構成するものであり、他のクォークは、たとえばCERNのラージハドロンコライダーなどの加速器で粒子が衝突する場合など、高エネルギープロセスによって形成できます。

クォークとアンチクォークで構成される粒子はメソンと呼ばれ、刺激的な動作を示す4つのニュートラルメソン（B0S、B0、D0、およびK0）があります。それらは自発的に反粒子パートナーに変化し、その後再び戻ることができます。これは1960年に最初に観察された現象です。

それらは不安定であるため、振動中のある時点で他のより安定した粒子に「崩壊」（崩壊）します。メソンのこの減衰は、アンタイムソンの場合とは多少異なります。これは、振動と組み合わされて、減衰率が時間とともに変化することを意味します。

振動と減衰のルールは、Cabibbo-Kobayashi-Maskawaメカニズム（CKM）と呼ばれる理論的フレームワークによって与えられます。彼は、物質と反物質の振る舞いに違いがあると予測していますが、今日見られる豊富さを説明するために必要な初期の宇宙で過剰な物質を生成するには小さすぎます。

これは、私たちが理解していないことがあることを示しており、このトピックを研究することで、物理学における私たちの最も基本的な理論のいくつかに疑問が投げかけられる可能性があります。

新しい物理学？

LHCb実験の最近の結果は、中性のB0Sメソンの研究であり、帯電したKメソンのペアへの崩壊の研究です。 B0Sメソンは、ラージハドロンコライダーでプロトンを他のプロトンと衝突させることによって作成されました。そこでは、アンチシーズンに振動し、1秒間に3兆回跳ね返りました。衝突はまた、同じように振動する反B0Sメソンを作成し、比較できるメソンとアンタイムソンのサンプルを提供しました。

2つのサンプルの減衰数をカウントし、2つの数を比較して、変動が発生するにつれてこの差がどのように変化するかを確認しました。わずかな違いがありました-B0Sメソンの1つでより多くの減衰が発生しました。そして、B0Sメソンで初めて、B0Sメソンとアンタイムソンの間の振動によって減衰または非対称性の違いが変化することに気づきました。

物質と反物質の違いを研究する上で重要なマイルストーンであることに加えて、非対称性の大きさを測定することもできました。これは、基礎となる理論のいくつかのパラメーターの測定値に変換できます。

結果を他の測定値と比較することで、現在受け入れられている理論が自然の正しい記述であるかどうかに関する一貫性チェックが提供されます。私たちが微視的なスケールで観察する反物質よりも物質をわずかに好むことは、私たちが宇宙で観察する圧倒的な量の物質を説明できないので、私たちの現在の理解はより基本的な理論の近似である可能性があります。

さまざまな角度から調べることで物質と反物質の非対称性を生み出すことができると私たちが知っているこのメカニズムを調べることで、問題が何であるかを知ることができます。最小規模で世界を探索することは、私たちが最大規模で見ているものを理解するための最良のチャンスです。

グラスゴー大学粒子物理学教授、ラース・エクルンド。

会話から転載。