Wszechświat wybrał materię

Wszechświat, jaki znamy, którego sami jesteśmy częścią, zbudowany jest z materii. Ale w momencie Wielkiego Wybuchu materii i antymaterii było tyle samo. Według teorii, powinno być tyle samo cząstek co antycząstek. Ale przyroda nie słucha teoretyków i dziś dominuje materia. To właśnie z jej cząstek zbudowane są galaktyki, gwiazdy, planety, my wszyscy.

– Antycząstki są lustrzanym odbiciem cząstek – wyjaśnia dr Tadeusz Lesiak z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Jest członkiem międzynarodowego zespołu Belle, który zbadał, dlaczego “zwykła” materia przetrwała, a antymateria zniknęła. Do takich samych rezultatów doszedł konkurencyjny zespół naukowców z Włoch, Szwajcarii i Francji.

– To niezwykle interesujące badania. Jeżeli się potwierdzą, wstrząsną nauką – komentuje Val Gibson, fizyk z Uniwersytetu Cambridge. Nadwyżka materii nad antymaterią została “wyprodukowana” podczas wczesnych etapów ewolucji wszechświata ok. 13,7 mld lat temu.

Dlaczego? To pytanie fizycy zadają sobie od pół wieku. Podejrzewają, że przyczyną jest inne oddziaływanie pomiędzy cząstkami materii i antymaterii. Ciągle jednak nie wiadomo, jak wielka była asymetria: materia – antymateria. Od lat naukowcy próbują to sprawdzić, zderzając cząstki i badając skutki tych zderzeń.

Najdokładniejsze jak dotąd wyniki uzyskał zespół, w którym pracuje dr Lesiak. Naukowcy z zespołu Belle, używając japońskiego zderzacza KEK uzyskali cząstki i antycząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym. W wyniku rozpadu pojawiło się znacznie więcej cząstek niż antycząstek. —Badając połączenia w świecie małych energii kwarków i neutrin, bardzo trudno porównywać je z niewyobrażalnie wielkimi energiami wczesnego wszechświata – zastrzegł jednak Tom Browder, rzecznik Belle. Eksperyment opisuje dzisiejsze wydanie “Nature”.

Znana od lat 70. ubiegłego wieku teoria fizyki cząstek zwana modelem standardowym wyjaśnia podstawowe prawa rządzące zachowaniem się cząstek i sił występujących pomiędzy nimi. – W mikroświecie obserwujemy niemal idealną symetrię pomiędzy udziałem cząstek i antycząstek – tłumaczy prof. Maria Różańska z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Tę własność fizycy nazywają symetrią CP. Ale model standardowy, choć przewiduje wyjątki od tej symetrii, dotąd nie był w stanie wyjaśnić przewagi ilościowej materii nad antymaterią, z jaką mamy do czynienia we wszechświecie.

Naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN z Krakowa byli jednymi z pierwszych europejskich badaczy w programie Belle. Pracują w tej grupie od początku lat 90. W badaniach biorą udział naukowcy z Azji, Ameryki, Australii i Europy.

Naukowcy z obu zespołów chcą kontynuować badania, aby uzyskać jeszcze dokładniejsze rezultaty. Nadzieję pokładają w LHC – największym na świecie zderzaczu budowanym w szwajcarskim CERN. Urządzenie ma badać cząstki zwane mezonami. Polscy naukowcy również wezmą udział w tych eksperymentach.

NewScientist

W fizyce teoria wyprzedza praktykę

Rz: Jakie znaczenie praktyczne ma eksperyment, w którym brali udział fizycy z Krakowa, opisany przez „Nature”?

Tadeusz Lesiak: Nie można zrozumieć wszechświata bez spojrzenia na kosmologię przez pryzmat mikroświata, na który składają się podstawowe elementy materii. Najbardziej znane spośród nich to elektrony i protony – budulec atomów. Bez zrozumienia tego, co się dzieje w tym świecie, nie jesteśmy w stanie opisać pochodzenia i ewolucji wszechświata – planet, gwiazd, galaktyk. Tak zwany model standardowy – teoria opisująca cząstki występujące w przyrodzie – wyjaśnia, co się działo z materią tuż po Wielkim Wybuchu. Ciągle jednak nie wiemy dokładnie, co się stało wcześniej. Wiemy, że dokładnie w momencie Wielkiego Wybuchu materii było dokładnie tyle samo co antymaterii. Ale z istniejącej wtedy materii i antymaterii pozostało znacznie więcej materii, niż wynika z wyliczeń teoretycznych modelu standardowego. Ten nadmiar posłużył do budowy wszechświata, jaki znamy.

Czyli teoria się nie zgadza z doświadczeniami?

– Nasze prace, które prowadzimy w międzynarodowym zespole, pozwoliły rzucić nowe światło na proporcje między materią i antymaterią. W fizyce najczęściej teoria wyprzedza praktykę, a eksperymenty czasami ją potwierdzają, a czasami wymuszają korekty.

Nie jesteście jedyną grupą, która prowadzi badania, wykorzystując zderzenia cząstek?

– Takie badania prowadzone są także przez międzynarodowy zespół CDF. Stosując zderzenie innych cząstek, doszli do podobnych, lecz mniej dokładnych wyników.

Czy na podstawie waszych badań trzeba będzie napisać nową teorię Wielkiego Wybuchu?