Dlaczego we wszechświecie istnieje materia?

Międzynarodowa grupa badaczy - w tym polskich naukowców - prowadzi badania, związane z symetriami działającymi wśród cząstek. Mają one fundamentalne znaczenie dla zrozumienia dlaczego we wszechświecie istnieje materia. Doświadczenia są prowadzone z użyciem detektora WASA, który umożliwia obserwację rzadkich zjawisk fizycznych zachodzących w świecie cząstek elementarnych.

Uczestniczą w nich naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych (IPJ) w Świerku i fizycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Jak poinformował rzecznik IPJ dr Marek Pawłowski, zgodnie z obecnymi modelami kosmologicznymi, ok. 13,7 miliarda lat temu - ułamki sekund po Wielkim Wybuchu - wypełniające wszechświat kwanty promieniowania przekształciły się w pary cząstka-antycząstka, które spotykając się ze sobą zamieniały się ponownie w energię.

- Gdyby proces był w pełni symetryczny, powinien doprowadzić do zaniku zarówno materii jak i antymaterii. Tak się jednak nie stało. Niedawno rozpoczęte badania międzynarodowej grupy naukowców, prowadzone z użyciem detektora WASA (Wide Angle Shower Apparatus) przy niemieckim akceleratorze COSY, być może pozwolą uchylić rąbka tej tajemnicy - wyjaśnił dr Pawłowski.

Detektor WASA działa przy akceleratorze COSY w niemieckim ośrodku Forschungszentrum w Julich niedaleko Bonn. Trafił tam ze Szwecji, gdzie powstała jego pierwsza wersja, zbudowana przy akceleratorze CELSIUS w Uppsali we współpracy fizyków szwedzkich i polskich.

Operacja polegająca na zamianie cząstki w antycząstkę w połączeniu z odbiciem lustrzanym jest przez fizyków określana jako symetria CP. Łamanie tej symetrii udało się już wcześniej zauważyć w rozpadach niektórych tzw. mezonów K oraz B (mezony to cząstki nietrwałe, składające się z jednego kwarka i jednego antykwarka).

- Skala tych zjawisk nie pozwala jednak wytłumaczyć obserwacji astronomicznych, wyraźnie wskazujących na dominację materii nad antymaterią we wszechświecie. W pomiarach rozpoczętych niedawno przy detektorze WASA próbuje się więc zaobserwować łamanie symetrii CP w rozpadach mezonów eta, które składają się z kwarków najlżejszych, najbardziej rozpowszechnionych we Wszechświecie - informuje dr Pawłowski.

Podkreśla, że zadanie jest jednak niezwykle trudne. - Nasza najlepsza teoria opisująca budowę materii, Model Standardowy, przewiduje, że do niektórych specyficznych rozpadów mezonów eta dochodzi zaledwie raz na wiele milionów zdarzeń - przypomina.

Detektor WASA z wyglądu przypomina najeżoną wypustkami kulę. Jego charakterystyczną cechą jest możliwość identyfikacji i pomiaru cząstek rozbiegających się pod różnymi kątami. - Za pomocą WASY potrafimy zarejestrować produkty rozpadu rozchodzące się od punktu, w którym zaszło oddziaływanie, niezależnie od tego, czy polecą one w przód, do tyłu czy też na boki - opisuje prof. Joanna Stepaniak z IPJ.

Jak tłumaczy dr Pawłowski, eksperyment WASA-at-COSY jest realizowany w wielu kilkotygodniowych sesjach pomiarowych, podczas których za każdym razem gromadzi się terabajty danych. Ich analiza, prowadzona m.in. przez badaczy z IPJ, jest żmudna i skomplikowana. Do tej pory naukowcy zarejestrowali dziesiątki milionów zdarzeń z udziałem mezonów eta i wyselekcjonowali z nich około 100 przypadków interesujących rozpadów.

- Możemy się pochwalić, że wyniki eksperymentalne przedstawione w dwóch pracach przygotowanych z dużym wkładem naszego instytutu znalazły się w światowej bazie danych Particle Data Group jako te, które wyznaczają najlepsze ograniczenia na częstość występowania tego typu procesów - podkreśla prof. Stepaniak.

Rzecznik IPJ dodaje, że naukowcy z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku wnieśli do eksperymentu WASA-at-COSY nie tylko wkład teoretyczny. Zbudowali również kilka warstw detekcyjnych detektora WASA otaczających nadprzewodzącą cewkę.

- W IPJ zaprojektowano również część mechaniczną detektora, a oddział w Łodzi zbudował system do kalibrowania za pomocą światła laserowego ponad 2 tys. elementów detektora - opisał dr Pawłowski.

PAP - Nauka w Polsce