Чому існує щось, а не ніщо? Філософ Мартін Гайдеґґер назвав це «першим з усіх питань», і він мучив вчених та теологів протягом усієї історії.
Наука досі не знайшла відповіді, але дослідники звузили коло можливих варіантів. Зрозуміло одне: Великий вибух породив нескінченно більше баріонної матерії — протонів і нейтронів, які зливаються в атомні ядра, ніж антиматерії. Це дивно, тому що матерія та антиматерія анігілюють один одного при взаємодії, і сьогодні, коли фізики перетворюють енергію на частинки, античастинки-двійники з'являються у рівній кількості. Таким чином, за інших рівних умов матерія й антиматерія в гарячому, щільному первісному Всесвіті мали б вступити в реакцію один з одним і просто зникнути. Повне знищення було б нормою, а нас тут не було б. Однак якимось чином цей процес залишив по собі мізерний надлишок матерії, що утворився в першу частку секунди часу, який став джерелом, по суті, всього, з чого ми складаємося, і всього, що ми бачимо.
Тепер фізики знайшли нову підказку про джерело цієї невідповідності, вивчаючи кварки та глюони – будівельні блоки баріонної матерії. Природа, мабуть, спотворена не лише через кварки або глюони, а й через їхню взаємодію. Дослідження, опубліковане в журналі Science, проводилося на Релятивістському колайдері важких іонів (RHIC) у Брукхейвенській національній лабораторії в Аптоні, штат Нью-Йорк (RHIC був остаточно закритий раніше цього року, щоб звільнити місце для нового, більш досконалого колайдера частинок).
"Це один із найзначніших результатів, досягнутих програмою RHIC", - говорить Дмитрій Харзєєв, фізик з Університету Стоуні-Брук, який не брав участі в написанні нової статті, але згаданий у подяках. "Він переосмислює наше розуміння баріонної структури й того, як виникла баріонна матерія."
Фізики постійно створюють баріонну матерію, зіштовхуючи субатомні частинки з усією міццю, на яку здатне їх устаткування. І щоразу при цьому утворюється така сама кількість антиматерії. Сумарне "баріонне число" - загальна кількість баріонних частинок (таких як протони), які вони створюють, за вирахуванням кількості античастинок - завжди дорівнює нулю.
Якби ранній Всесвіт підкорявся цьому правилу, наш сучасний космос був би позбавлений речовини, залишивши лише енергетичні поля, що вічно пульсують у порожнечі. Але хоч би як старалися фізики, їм, видно, не вдається порушити симетрію. "У жодному експерименті не спостерігалося порушення цього правила", — каже Прітвіш Трібеді, фізик із Брукхейвенської національної лабораторії, який працював над новим результатом.
При зіткненні двох протонів баріонне число (кількість частинок мінус кількість античастинок) дорівнює двом. Протони вибухають, швидко створюючи й знищуючи безліч нових частинок, але різниця залишається рівною двом до кінця. Як же баріонне число передається між усіма цими проміжними частинками на цьому шляху? Як ставить питання Трибеді: "Що саме ми маємо відстежувати, щоб з'ясувати, куди воно прямує?"
Багато фізиків вважали, що баріонне число протона визначається двома «верхніми» кварками та одним «нижнім» кварком, з яких складається частка. Але дані RHIC показали, що насправді воно виникає внаслідок взаємодії між кварками протона та його глюонами. (Глюони - це нейтрально заряджені частинки, що отримали свою назву "липкі" через те, що саме вони пов'язують кварки.)
Дослідники використовували експеримент STAR (Solenoidal Tracker at RHIC) RHIC, щоб точно визначити перенесення баріонного числа між частинками, вивчаючи зіткнення двох важких ядер - рутенію і цирконію. Використані в дослідженні варіанти цих елементів мають однакову сумарну кількість протонів і нейтронів, але у рутенію на чотири протони більше і на чотири нейтрони менше, що робить його ядро електричне зарядженим. Ця відмінність дозволяє фізикам розібратися в обміні електричним зарядом, що відбувається при зіткненні рутенію і цирконію, відстежуючи його поширення через безліч нових частинок, що утворюються. Після цього команда STAR змогла встановити, що одного електричного заряду недостатньо для пояснення перенесення баріонного числа. У процесі грає роль щось інше, нейтральне: глюон.
"Очевидно, пов'язана глюонна структура забезпечує більш точний динамічний індикатор зміни баріонного числа", - говорить Трібеді.
Відкриття RHIC – один із його останніх вкладів у фізику – на жаль, не відповідає на запитання Гайдеґґера. Але воно дозволяє фізикам відстежувати цю величину на фундаментальному рівні та спостерігати, як баріонна кількість таємниче зберігається. Сподіватимемося, що це наблизить нас до того первісного моменту, коли його не було — у ту фатальну частку секунди після Великого вибуху. "Баріонне число зберігається з того часу, тому розуміння того, як воно кодується і передається, має важливе значення", - говорить Харзєєв.
Відповідь на питання, чому існує щось, а не нічого, залишається невловною, але вчені тепер знають, що глюони, ймовірно, відіграють ключову роль у цій найбільшій з космічних загадок.
