Физики-теоретики обожают рассказывать, как элегантно устроена Вселенная, но почему-то забывают упомянуть маленькую деталь: по их же собственным расчётам, вас не должно существовать. И меня тоже. И вообще ничего материального — ни галактик, ни планет, ни даже завалящего атома водорода. Стандартная модель физики элементарных частиц — этот величественный храм человеческого интеллекта — предсказывает пустую Вселенную, наполненную исключительно излучением. А мы тут сидим, читаем статьи и пьём кофе. Неловко получается, правда?
Корень этого космического конфуза кроется в явлении под названием нарушение CP-симметрии. Точнее, в том факте, что известных нам нарушений катастрофически не хватает, чтобы объяснить наше собственное существование. Где-то в глубинах микромира прячутся процессы, которые мы упорно не можем обнаружить, — и именно они, судя по всему, ответственны за то, что Вселенная выбрала материю вместо антиматерии. Физики ищут эти призрачные явления уже полвека. Безуспешно. И это, пожалуй, самый грандиозный провал фундаментальной науки со времён попыток обнаружить эфир.
CP-симметрия — красивая ложь Вселенной
Давайте разберёмся, о чём вообще речь. CP-симметрия — это комбинация двух фундаментальных симметрий природы. Буква «C» означает зарядовое сопряжение: замену всех частиц на античастицы. Буква «P» — это пространственная чётность: зеркальное отражение системы. Если физический процесс обладает CP-симметрией, то он будет протекать абсолютно одинаково, даже если вы одновременно замените все частицы на античастицы и отразите картинку в зеркале.
Долгое время физики свято верили, что природа соблюдает эту симметрию. Казалось логичным: зачем Вселенной отдавать предпочтение материи над антиматерией? Это же некрасиво, асимметрично, неэлегантно. Но Вселенной плевать на наши эстетические предпочтения — она жульничает. И делает это с размахом.
В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили, что нейтральные каоны — экзотические частицы, живущие миллиардные доли секунды — ведут себя немного по-разному в зависимости от того, материя это или антиматерия. Разница крошечная, едва уловимая, но она есть. Природа, оказывается, всё-таки различает левое и правое, материю и антиматерию. За это открытие дали Нобелевку. Но вот незадача: обнаруженного нарушения оказалось недостаточно. Даже близко недостаточно.
Почему мы вообще существуем
Вот вам загадка, от которой у космологов уже полвека трясутся руки: сразу после Большого взрыва материя и антиматерия должны были возникнуть в равных количествах. Это следует из базовых законов физики, тут не поспоришь. Но если бы они действительно были равны, то немедленно аннигилировали бы друг с другом, превратившись в чистую энергию. Пуф — и никакой Вселенной, одни фотоны.
Однако что-то пошло не так — в хорошем смысле. На каждый миллиард пар «частица-античастица» осталась примерно одна лишняя частица материи. Одна на миллиард! Именно эти сироты и составили всё, что мы видим вокруг: звёзды, планеты, котиков в интернете. Это явление называется барионная асимметрия Вселенной, и оно требует объяснения.
Советский физик Андрей Сахаров ещё в 1967 году сформулировал три условия, необходимые для возникновения такой асимметрии. Одно из них — как раз нарушение CP-симметрии. Без него материя и антиматерия рождались бы строго симметрично и полностью уничтожили бы друг друга. Нам нужен механизм, который создаёт перекос. Механизм, который говорит: «Материи будет чуть-чуть больше». Проблема в том, что все известные нам источники такого перекоса дают эффект примерно в десять миллиардов раз слабее необходимого. Упс.
Что физики уже нашли
Давайте отдадим должное: кое-что физики всё же накопали. Нарушение CP-симметрии было экспериментально подтверждено в нескольких системах. Началось всё с тех самых нейтральных каонов в 1964-м. Потом, в 2001 году, эксперименты BaBar и Belle обнаружили аналогичный эффект в системе B-мезонов — и этот эффект оказался даже сильнее. За это тоже дали Нобелевскую премию в 2008-м.
Позже нарушение нашли и в D-мезонах, и в странных B-мезонах. Большой адронный коллайдер продолжает собирать данные, уточнять измерения, искать новые проявления. Всё это прекрасно укладывается в рамки Стандартной модели и объясняется единственным источником — комплексной фазой в матрице Кабиббо-Кобаяши-Маскавы. Звучит впечатляюще, но по сути это просто математический параметр, описывающий смешивание кварков.
И вот тут начинается самое интересное. Стандартная модель предсказывает ровно столько нарушения CP-симметрии, сколько мы наблюдаем в этих экспериментах. Ни больше, ни меньше. Теория работает блестяще. Но этого количества безнадёжно мало для объяснения барионной асимметрии. Мы нашли всё, что предсказывала Стандартная модель, — и этого оказалось недостаточно. А значит, где-то должны существовать дополнительные источники нарушения, которые мы пока не обнаружили.
Великий дефицит
Масштаб проблемы сложно переоценить. Представьте, что вы пытаетесь объяснить, откуда в бассейне вода, и находите капающий кран. Отлично, вот источник воды! Но кран даёт одну каплю в час, а бассейн каким-то образом наполнился за минуту. Математика не сходится от слова «совсем».
Именно в такой ситуации находится современная физика частиц. Нарушение CP-симметрии в кварковом секторе — единственное, что мы надёжно измерили — даёт вклад в барионную асимметрию порядка 10⁻²⁰ от наблюдаемого значения. Не в два раза меньше, не в десять — в сто квинтиллионов раз меньше. Это даже не погрешность, это пропасть.
Теоретики, разумеется, не сидят сложа руки. Они напридумывали десятки возможных источников дополнительного нарушения. Лептогенез — механизм, в котором асимметрия сначала возникает в секторе нейтрино, а потом перетекает в барионы. Электрослабый бариогенез — процессы на масштабе нескольких сотен ГэВ в ранней Вселенной. Аффлек-Дайн механизм — экзотический сценарий из суперсимметричных теорий. Варианты есть. Доказательств — ноль.
Особенно обидно, что у нас под носом находится целый сектор физики, где нарушение CP-симметрии могло бы быть огромным, — и мы его не видим. Речь о нейтрино. Эти призрачные частицы почти не взаимодействуют с материей, и изучать их невероятно сложно. Но именно там, согласно многим теориям, может прятаться недостающий кусок головоломки. Эксперименты вроде T2K и NOvA уже видят намёки на CP-нарушение в нейтринных осцилляциях, но статистическая значимость пока недостаточна. Мы буквально на пороге открытия — или очередного разочарования.
Охота на невидимок
Где же искать эти неуловимые нарушения? Физики прочёсывают несколько направлений, и каждое по-своему захватывающее.
Первое — уже упомянутые нейтринные осцилляции. Эксперимент DUNE, который сейчас строится в США, должен радикально повысить точность измерений. Пучок нейтрино будет лететь 1300 километров сквозь земную толщу, и если CP-нарушение в лептонном секторе существует, мы его увидим. Это займёт лет десять, но перспективы впечатляют.
Второе направление — поиск электрического дипольного момента у элементарных частиц. Если CP-симметрия нарушена, нейтрон или электрон должны обладать крошечным постоянным электрическим диполем. Пока мы его не нашли, но верхние пределы постоянно ужесточаются. Многие теории за пределами Стандартной модели предсказывают дипольный момент чуть ниже текущей чувствительности экспериментов. Мы подбираемся всё ближе.
Третье — прямой поиск новых частиц на коллайдерах. Если существует суперсимметрия или другая экзотическая физика, там почти наверняка есть дополнительные источники CP-нарушения. Пока Большой адронный коллайдер ничего такого не обнаружил, но его энергия ограничена. Проекты будущих коллайдеров — FCC в ЦЕРНе или китайский CEPC — смогут заглянуть гораздо дальше.
И наконец, есть совсем экзотические идеи. Может быть, нарушение CP-симметрии проявляется только в тёмном секторе — в частицах, которые вообще не взаимодействуют со Стандартной моделью напрямую? Может, ответ кроется в квантовой гравитации и масштабах Планка? Мы не знаем. Честно — не знаем.
Философия незнания
Есть что-то глубоко философское в ситуации, когда наше собственное существование указывает на пробелы в наших теориях. Мы — живое доказательство того, что физика неполна. Каждый атом вашего тела кричит: «Стандартная модель чего-то не учитывает!»
Некоторые оптимисты считают, что мы на пороге прорыва. Данные копятся, эксперименты совершенствуются, рано или поздно ненайденные нарушения CP-симметрии выйдут из тени. Возможно, открытие случится в ближайшие десять-двадцать лет.
Пессимисты возражают: а что, если новые источники нарушения существуют на энергиях, недоступных нашим экспериментам? Что, если ответ спрятан при температурах, которые существовали только в первые доли секунды после Большого взрыва? Тогда мы никогда не сможем проверить теории напрямую и останемся вечно гадать.
Но есть и третья позиция — она кажется мне наиболее честной. Мы не знаем, чего мы не знаем. Эпистемологическая скромность — вот что уместно перед лицом такой загадки. Вселенная уже не раз преподносила сюрпризы: тёмная материя, тёмная энергия, ускоренное расширение. Кто сказал, что мы вообще задаём правильные вопросы? Может, проблема барионной асимметрии решается каким-то совершенно неожиданным способом, о котором мы даже не догадываемся.
Смирение перед бездной
Итак, подведём итог этой странной истории. Вы существуете — это факт. Согласно нашим лучшим теориям, вы существовать не должны — тоже факт. Разрыв между этими утверждениями заполнен неизвестными физическими процессами, которые нарушают CP-симметрию способами, недоступными нашим измерениям.
Это не провал науки — это её передний край. Место, где заканчиваются карты и начинается терра инкогнита. Физики не скрывают проблему, они бьются над ней ежедневно. Тысячи людей по всему миру конструируют детекторы, анализируют данные, строят теории — всё ради того, чтобы понять, откуда взялся этот перекос между материей и антиматерией.
И когда в следующий раз кто-нибудь скажет вам, что наука всё объяснила, вспомните: существует фундаментальный вопрос — почему вообще есть что-то, а не ничего? — на который у нас нет ответа. Нарушение CP-симметрии — лишь часть этой великой загадки. Часть, которую мы хотя бы можем сформулировать на языке математики и проверить экспериментально.
Однажды, возможно, ответ будет найден. Или мы поймём, что задавали неправильный вопрос. В любом случае, именно такие загадки делают науку живой — не собранием готовых ответов, а вечным приключением на границе познаваемого.