Moriondin kokouksissa Italiassa LHCb-yhteistyö CERN:ssä ilmoitti, että uusi askel on otettu ymmärryksessämme aineen ja antimaterian hienovaraisista, mutta syvistä eroista.
Analysoidessaan suuria määriä dataa, joita Suuri hadronitörmäytin (LHC) tuottaa, kansainvälinen tiimi pystyi erittäin vakuuttavasti osoittamaan, että baryonit, joihin kuuluvat atomiydinten muodostavat protonit ja neutronit, kokevat peiliepäsymmetrian vaikutuksen luonnon peruslakeihin, mikä saa aineen ja antimaterian käyttäytymään eri tavoin.
Tämä löytö tarjoaa uusia suuntaviivoja selittääksemme perushiukkasten järjestäytymistä aineessa hiukkasfysiikan standardimallissa ja ymmärtääksemme, miksi aine näyttää voittaneen antimaterian suuren räjähdyksen jälkeen.
Ensimmäistä kertaa 1960-luvulla havaittu varauksen ja pariteetin (CP) symmetrian rikkominen mesoneissa, jotka koostuvat kvarkki-antiquark-pareista, on ollut monien tutkimusten kohteena, jotka perustuvat kiinteän kohteen kokeisiin tai törmäytystutkimuksiin. Odotettiin, että toinen suuri hiukkaskategoria, baryonit, jotka koostuvat kolmesta kvarkista, ilmensi myös tätä ilmiötä, mutta toistaiseksi LHCb:n kaltaiset kokeet olivat havainneet baryoneissa vain viitteitä tästä ilmiöstä.
"Jos CP-rikkomisen havaitsemiseen baryoneissa meni enemmän aikaa kuin mesoneissa, se johtuu ilmiön koosta ja käytettävissä olevasta datamäärästä", selittää LHCb-yhteistyön tiedottaja Vincenzo Vagnoni. "Tarvitsimme koneen, kuten LHC:n, joka pystyy tuottamaan riittävän suuren määrän kauniita baryoneja ja niiden antimaterian vastineita, ja tarvitsimme kokeen, joka pystyy havaitsemaan niiden hajoamistuotteet. Meidän piti havaita yli 80 000 baryonin hajoamista, jotta voisimme ensimmäistä kertaa havaita aineen ja antimaterian epäsymmetrian tässä hiukkaskategoriassa."
On tiedossa, että hiukkasilla ja niiden antimaterian vastineilla on sama massa ja vastakkaiset varaukset. Kuitenkin, kun hiukkaset hajoavat muiksi hiukkasiksi, esimerkiksi kun atomiydin kokee radioaktiivisen hajoamisen, CP-rikkominen aiheuttaa halkeaman tässä peilisymmetriassa. Tämä vaikutus voi ilmetä erona kevyempien hiukkasten hajoamisnopeuksissa riippuen siitä, havaitaanko hiukkasia vai niiden antimaterian vastineita. Nämä erot voidaan havaita erittäin kehittyneiden havaitsemislaitteiden ja analyysimenetelmien avulla.
LHCb-yhteistyö on havainnut CP-rikkomisen raskaammassa ja lyhytikäisemmässä baryonissa kuin protonit ja neutronit, lambda baryonissa Λb, joka koostuu yhdestä ylös-kvarkista, yhdestä alas-kvarkista ja yhdestä kauniista kvarkista. Aluksi tiimi tutki LHCb-havaitsemislaitteen keräämiä tietoja LHC:n ensimmäisen ja toisen käyttöjakson aikana (vuosina 2009–2013 ja 2015–2018) etsiessään Λb:n hajoamista protoniksi, kaoniksi ja pariksi vastakkaisvarauksista pionia, sekä sen antimaterian vastineen, anti-Λb:n, hajoamista. Sen jälkeen se laski havaittujen hajoamisten määrän kummallekin näistä kahdesta hiukkasesta ja laski eron.
Analyysi osoitti, että Λb:n ja anti-Λb:n hajoamisten määrän ero, jaettuna niiden summalla, poikkeaa nollasta 2,45 %:n verran, epävarmuuden ollessa noin 0,47 %. Tilastollisesti tulos poikkeaa nollasta 5,2 keskihajontaa, mikä ylittää vaaditun rajan CP-rikkomisen olemassaolon havainnoimiseksi tässä baryonin hajoamisessa.
Vaikka CP-rikkomisen olemassaoloa baryoneissa on odotettu pitkään, hiukkasfysiikan standardimallin monimutkaiset ennusteet eivät ole vielä riittävän tarkkoja mahdollistamaan syvällistä vertailua teorian ja LHCb:n tekemien mittausten välillä.
Yllättäen standardimallin ennustama CP-rikkomisen aste on useita suuruusluokkia liian alhainen selittämään universumissa havaittua aineen ja antimaterian epäsymmetriaa. Tämä viittaa siihen, että on olemassa muita CP-rikkomisen lähteitä kuin standardimallissa ennustetut. Näiden lähteiden etsiminen on tärkeä osa LHC:n fysiikkaohjelmaa, ja se jatkuu tulevissa törmäytystutkimuksissa.
"Mitä enemmän järjestelmiä havaitsemme CP-rikkomista, sitä tarkempia mittauksemme ovat, ja sitä enemmän meillä on mahdollisuuksia testata standardimallia ja tutkia fysiikkaa sen yli", selittää Vincenzo Vagnoni. "Ensimmäinen havainto CP-rikkomisesta baryonien hajoamisessa avaa tien muille teoreettisille ja kokeellisille tutkimuksille CP-rikkomisen luonteesta, mahdollisesti asettaen uusia rajoja fysiikalle standardimallin ulkopuolella."
"Onnittelen LHCb-yhteistyötä tästä loistavasta tuloksesta. Se tuo jälleen esiin LHC:n ja sen kokeiden tieteellisen potentiaalin, tarjoten uuden työkalun aineen ja antimaterian epäsymmetrian tutkimiseen universumissa", toteaa CERN:n tutkimus- ja tietotekniikkajohtaja Joachim Mnich.