Трещина в фундаменте Вселенной: каоны отказались подчиняться квантовым законам

В конце 2023 года молодой исследователь Войцех Брылински, анализируя данные эксперимента NA61/SHINE в ЦЕРНе, обнаружил необъяснимую аномалию . При изучении столкновений ядер аргона и скандия выяснилось, что заряженные каоны образуются на 18,4% чаще, чем нейтральные. Что это значит для науки?

Чтобы понять суть прорыва, следует заглянуть в мир субатомных частиц. В основе всей материи во Вселенной лежат элементарные "кирпичики" – кварки, формирующие более сложные структуры. Природа создала несколько разновидностей этих частиц, названных "ароматами": верхние, нижние, странные и другие. У каждой разновидности существует своя противоположность – античастица с обратными характеристиками.

В ходе эксперимента исследователи изучали уникальные образования – каоны, возникающие при соединении материи и антиматерии. Заряженные варианты этих частиц появляются при слиянии верхнего представителя семейства со странным антикварком. Нейтральные же формируются, когда нижний кварк встречается со своим странным антиподом. Такие комбинации возможны и в обратном порядке – когда античастицы соединяются с обычным странным кварком.

В основе физики микромира лежит принцип изоспиновой симметрии. Это проявление более широкого феномена – ароматической симметрии, утверждающей, что сильное взаимодействие (одна из четырех базовых сил природы) должно одинаково влиять на все разновидности этих фундаментальных частиц. Различия в их поведении могут возникать только из-за неравенства масс. Но ситуация меняется при включении электромагнитных сил: верхние и нижние представители семейства обладают разными зарядами, что нарушает гармонию.

Теоретические расчеты предсказывают: при столкновении массивных ядер сильное взаимодействие должно создавать примерно одинаковое число заряженных и нейтральных каонов. Это следует из близости масс верхнего и нижнего кварков. Современные модели допускают лишь небольшую асимметрию – в пределах нескольких процентов. Однако результаты NA61/SHINE показали отклонение, в пять раз превышающее допустимую погрешность (4,7σ), что указывает на реальность обнаруженного эффекта.

Пытаясь объяснить необычное открытие, физик-теоретик Франческо Джакоза выдвинул две гипотезы . Согласно первой, специалисты не учли полностью роль электромагнитных сил в формировании пар кварк-антикварк. В таком случае придется существенно пересмотреть базовые принципы вычислений. Вторая версия оказалась еще более революционной: сильное взаимодействие может по-разному влиять на различные типы кварков, что противоречит современным теориям. Подтверждение этой гипотезы заставит ученых переосмыслить всю квантовую хромодинамику – фундаментальную концепцию, описывающую поведение кварков и глюонов.

Само открытие было сделано на установке NA61/SHINE – одном из крупнейших научных комплексов для исследования материи при высоких энергиях. Здесь поток протонов из суперсинхротрона направляется на неподвижные мишени, созданные из различных атомных ядер. Главная задача проекта – исследовать механизмы образования адронов, которые возникают в результате столкновений. Полученные данные находят применение не только в фундаментальных исследованиях: они помогают уточнять расчеты в экспериментах с нейтрино и космическими лучами, в том числе в японском проекте T2K.

Сейчас коллаборация планирует провести дополнительные исследования, используя разные снаряды, мишени и энергии. Так можно будет определить, является ли обнаруженный эффект особенностью конкретного типа столкновений тяжелых ядер или представляет собой более общее свойство высокоэнергетических взаимодействий.

По словам Джакозы, попытки объяснить результаты в рамках существующих моделей оказались безуспешными. Чтобы заполнить пробел, требуются как новые экспериментальные данные, так и теоретические предсказания.