Проблема нарушения симметрии между веществом и антивеществом является одной из фундаментальных в современной физике высоких энергий и космологии. Согласно стандартной модели, при рождении Вселенной в результате Большого взрыва должно было возникнуть одинаковое количество материи и антиматерии. Однако наблюдаемая Вселенная практически полностью состоит из вещества, а антивещество встречается крайне редко, главным образом в космических лучах и лабораторных экспериментах. Это явление указывает на существование процессов, которые нарушают симметрию CP (заряд–параметр пространственной инверсии) и приводят к избытку вещества над антивеществом.
Нарушение CP-симметрии описывается через комплексные фазы в матрице смешивания кварков (CKM-матрица) для кварков и, аналогично, через PMNS-матрицу для лептонов. Основные механизмы включают:
Кварковая CP-симметрия Взаимодействия слабых кварков могут приводить к небольшому, но измеримому нарушению CP. Эксперименты с мезонами K0 и B0 показали, что их распад различается для материи и антиматерии, что подтверждает фундаментальное нарушение CP-симметрии.
Лептоновая CP-симметрия В контексте нейтринной осцилляции также возможно нарушение CP. Эксперименты, такие как T2K и NOvA, стремятся определить величину CP-фазы в PMNS-матрице, что может быть связано с механизмом лептогенеза — генерацией избытка вещества через распад тяжелых нейтрино в ранней Вселенной.
Барионное нарушение Согласно условиям Сакара-Шафарова (Sakharov, 1967), для появления барионного асимметричного состояния необходимо наличие процессов, нарушающих барионное число B, CP-симметрию и нахождение системы вне термодинамического равновесия. Эти условия реализуются в ранней Вселенной при высоких температурах (T ∼ 1012–1015 К).
Космические лучи предоставляют уникальную возможность экспериментально исследовать антивещество и нарушения симметрии на экстремальных энергиях. Основные аспекты:
Антипротоны и позитроны Измерения с помощью спутниковых детекторов, таких как AMS-02 и PAMELA, показали наличие антипротонов и позитронов в космических лучах. Их спектр и количество могут быть связаны с первичными источниками антивещества и механизмами нарушения CP в ранней Вселенной.
Ядерное антивещество Возможность обнаружения антигелия или антиуглерода рассматривается как индикатор существования крупных областей антивещества. Пока такие события крайне редки, что подтверждает преобладание вещества.
Влияние высокоэнергетических процессов Взаимодействие космических лучей с межзвездной средой может приводить к вторичной генерации античастиц. Анализ спектра этих частиц позволяет тестировать модели лептогенеза и барионогенеза.
Современные теоретические подходы включают:
Стандартная модель и её расширения Стандартная модель предсказывает CP-нарушение в пределах наблюдаемых процессов мезонов, однако оно недостаточно для объяснения барионной асимметрии. Поэтому рассматриваются расширенные модели:
Лептогенез Распад тяжелых правых нейтрино в ранней Вселенной приводит к асимметрии лептонов, которая затем преобразуется в барионную асимметрию через sphaleron-процессы в электрослабой фазовой трансформации.
Гипотезы о скрытых секторах Возможные взаимодействия с темной материей и скрытыми кварковыми/лептонными секторами могут усиливать CP-нарушение и способствовать образованию избытка вещества.
Спутниковые детекторы AMS-02 (на МКС), PAMELA, Fermi-LAT обеспечивают прямой измерительный доступ к антивеществу и космическим лучам высокой энергии.
Наземные обсерватории Обсерватории типа Pierre Auger и Telescope Array фиксируют вторичные частицы, что позволяет реконструировать свойства первичных космических лучей и проверять модели асимметрии.
Лабораторные эксперименты LHCb (CERN) и Belle II (KEK) детально исследуют CP-нарушение в мезонных системах, создавая данные для теоретического моделирования ранней Вселенной.
Изучение нарушения симметрии вещество–антивещество помогает:
Эта область исследований объединяет космологию, физику частиц и астрофизику, создавая междисциплинарный подход к пониманию фундаментальных законов природы.