Что вероятнее всего изначально преобладало частицы или античастицы
Во Вселенной почти нет антиматерии. Почему?
Вселенная таит в себе много загадок.
Но мы здесь, и никто не знает, почему.
Почему во Вселенной нет антиматерии?
Подумайте об этих двух противоречивых, на первый взгляд, фактах:
Единственный способ изменить количество материи во Вселенной подразумевал также изменение количества антиматерии на такую же величину.
И все же, есть второй факт.
Но мы не видим никаких признаков уничтожения вещества антивеществом в самых больших масштабов. Мы не видим никаких признаков того, что некоторые из звезд, галактик или планет, которые мы наблюдаем, сделаны из антивещества. Мы не видим характерных гамма-лучей, которые следовало бы ожидать увидеть, если бы антиматерия сталкивалась с материей и аннигилировала. Вместо этого всюду мы видим только материю, куда ни посмотри.
И это кажется невозможным. С одной стороны, нет никакого известного способа сделать больше вещества, чем антивещества, если обращаться к частицам и их взаимодействию во Вселенной. С другой стороны, все, что мы видим, определенно состоит из вещества, а не антивещества.
На самом деле, мы наблюдали аннигиляцию материи и антиматерии в некоторых экстремальных астрофизических условиях, но только возле гиперэнергетических источников, которые производят вещество и антивещество в равных количествах — черные дыры, например. Когда антивещество сталкивается с веществом во Вселенной, оно производит гамма-лучи очень специфических частот, которые можем затем обнаружить. Межзвездная межгалактическая среда полна материала, и полное отсутствие этих гамма-лучей является сильным сигналом о том, что никогда больше нет большого количества частиц антиматерии, поскольку тогда сигнатура материи-антиматерии была бы обнаружена.
Если вы бросите одну частичку антиматерии в нашу галактику, она просуществует порядка 300 лет, прежде чем будет уничтожена частицей материи. Это ограничение говорит нам, что в Млечном Пути количество антиматерии не может превышать значение 1 частицы на квадриллион (10 15 ), относительно общего количества материи.
Темная метерия и темная энергия в сравнении с остальным.
На крупных масштабах — масштабах спутниковых галактик, больших галактик размера Млечного Пути и даже скоплений галактик — ограничения менее строгие, но все же очень сильные. Наблюдая расстояния от нескольких миллионов световых лет до трех миллиардов световых лет, мы наблюдали недостаток рентгеновских и гамма-лучей, которые могли бы указывать на аннигиляцию материи и антиматерии. Даже в больших космологических масштабах 99,999% того, что существует в нашей Вселенной, определенно будет представлено материей (как мы), а не антиматерией.
Антиматерия важна для науки
Как же мы оказались в такой ситуации, что Вселенная состоит из большого количества материи и практически не содержит антиматерии, если законы природы абсолютно симметричны между материей и антиматерией? Что ж, есть два варианта: либо Вселенная была рождена с большим количеством материи, нежели антиматерии, либо что-то произошло на ранней стадии, когда Вселенная была очень горячей и плотной, и породило асимметрию материи и антиматерии, которой изначально не было.
Первую идею проверить научно без воссоздания целой Вселенной не получится, но вторая весьма убедительна. Если наша Вселенная каким-то образом создала асимметрию материи и антиматерии там, где изначально ее не было, то правила, которые работали тогда, останутся неизменными и сегодня. Если мы достаточно умны, мы сможем разработать экспериментальные тесты, раскрывающие происхождение материи в нашей Вселенной.
В конце 1960-х годов физик Андрей Сахаров определил три условия, необходимые для бариогенеза или создания большего количества барионов (протонов и нейтронов), чем антибарионов. Вот они:
Первое соблюсти просто, поскольку расширяющаяся и остывающая Вселенная с нестабильными частицами в ней (и античастицами), по определению, будет вне равновесия. Второе тоже просто, поскольку C-симметрия (замена частиц античастицами) и CP-симметрия (замена частиц зеркально отраженными античастицами) нарушаются во множестве слабых взаимодействий с участием странных, очарованных и прекрасных кварков.
Остается вопрос, как нарушить барионное число. Экспериментально мы наблюдали, что баланс кварков к антикваркам и лептонов к антилептонам явно сохраняется. Но в Стандартной модели физики элементарных частиц не существует явного закона сохранения ни для одной из этих величин по отдельности.
Нужно три кварка, чтобы сделать барион, поэтому на каждые три кварка мы назначаем барионное число (B) 1. Точно так же каждый лептон получит лептонное число (L) 1. Антикварки, антибарионы и антилептоны будут иметь отрицательные числа B и L.
Схематичное изображение нестабильных частиц.
По мере расширения и охлаждения Вселенной нестабильные частицы, однажды созданные в изобилии, будут разрушаться. При соблюдении правильных условий — в частности, трех условий Сахаров — это может привести к избытку вещества над антивеществом, даже если изначально его не было. Задача для физиков — создать жизнеспособный сценарий, соответствующий наблюдениям и экспериментам, который может дать вам достаточный избыток вещества над антивеществом.
Существует три основных возможности возникновения этого избытка вещества над антивеществом:
У этих сценариев есть общие элементы, поэтому давайте рассмотрим последний из них, просто ради примера, чтобы понять, что могло произойти.
Теория великого объединения
Если теория великого объединения верна, должны быть новые, сверхтяжелые частицы, называемы X и Y, которые обладают как барионоподобными, так и лептоноподобными свойствами. Также должны быть их партнеры из антиматерии: анти-X и анти-Y, с противоположными числами B — L и противоположными зарядами, но с одной массой и временем жизни. Эти пары частица-античастица могут быть созданы в большом количестве при достаточно высоких энергиях, чтобы впоследствии распасться.
Итак, мы наполняем Вселенную ими, а затем они распадаются. Если же у нас есть C- и CP-нарушения, возможно, будут небольшие различия в том, как распадаются частицы и античастицы (X, Y и анти-X, anti-Y).
Если у X-частицы есть два пути: распад на два верхних кварка или на два анти-нижних кварка и позитрон, тогда anti-X должен пройти два соответствующих пути: два анти-верхних кварка или нижний кварк и электрон. Есть важное различие, которое допускается при нарушении C- и CP: X может с большей вероятностью распасться на два верхних кварка, чем анти-X — на два анти-верхних кварка, тогда как анти-X с большей вероятностью распадется на нижний кварк и электрон, чем X — на анти-верхний кварк и позитрон.
При наличии достаточного числа пар и распада таким образом, вы сможете легко получить избыток барионов над антибарионами (и лептонов над антилептонами), где его раньше не было.
Это лишь один пример, иллюстрирующий наше представление о том, что произошло. Мы начали с полностью симметричной Вселенной, подчиняющейся всем известным законам физики, и с горячего, плотного, богатого состояния, наполненного материей и антиматерией в равных количествах. С помощью механизма, который нам еще предстоит определить, подчиняющийся трем условиям Сахарова, эти естественные процессы в конечном итоге создали избыток вещества над антивеществом.
Тот факт, что мы существуем и состоит из материи, неоспорим; вопрос в том, почему наша Вселенная содержит что-то (материю), а не ничего (ведь вещества и антивещества было поровну). Возможно, в этом столетии мы найдем ответ на этот вопрос.
Как думаете, почему во Вселенной почти нет антивещества? Расскажите в нашем чате в Телеграме.
Война частиц и античастиц: что такое антиматерия
На самом деле утверждение о том, что взаимодействие частиц и античастиц неизменно влечет за собой рождение фотонов, неверно даже по отношению к электронам и позитронам. Свободная электронно-позитронная пара аннигилирует с образованием электромагнитных квантов лишь в том случае, если ее энергия не слишком велика. Очень быстрые электроны и позитроны способны порождать положительные и отрицательные пи-мезоны (они же пионы), плюс- и минус-мюоны, протоны и антипротоны, и даже еще более тяжелые частицы — хватило бы только энергии. Медленные протоны и антипротоны при аннигиляции дают начало заряженным и нейтральным пионам (а быстрые — и другим частицам), которые распадаются на гамма-кванты, мюоны и нейтрино. В принципе, столкновение частицы и ее антикопии может дать на выходе любую из комбинаций частиц, не запрещенных принципами симметрии и законами сохранения.
Может показаться, что аннигиляция ничем не отличается от прочих межчастичных взаимодействий, однако одна принципиальная особенность у нее имеется. Чтобы стабильные частицы, такие как протоны или электроны, при встрече породили ливень из экзотических обитателей микромира, их нужно как следует разогнать. Медленные протоны при встрече просто изменят свою скорость — этим дело и закончится. А вот протон и антипротон, сблизившись, либо претерпят упругое рассеяние и разойдутся, либо аннигилируют и произведут на свет вторичные частицы.
Все вышеописанное относится к аннигиляции свободных частиц. Если хотя бы одна из них входит в состав квантовой системы, в принципе ситуация остается прежней, но альтернативы изменяются. Например, аннигиляция свободного электрона и свободного позитрона никогда не может породить всего один квант — не позволяет закон сохранения импульса. Это легче всего увидеть, если работать в системе центра инерции сталкивающейся пары, — тогда начальный импульс будет равен нулю и потому никак не сможет совпасть с импульсом единичного фотона, куда бы тот ни улетел. Если же позитрон встретится с электроном, входящим, скажем, в состав атома водорода, возможна и однофотонная аннигиляция — в этом случае часть импульса передастся атомному ядру.
Как насчет антиграва?
Английский физик Артур Шустер полагал, что антиматерия гравитационно отталкивается от обычной материи, но современная наука считает это маловероятным. Из самых общих принципов симметрии законов микромира следует, что античастицы должны притягиваться друг к другу силами тяготения, подобно частицам без приставки «анти». Вопрос о том, каково гравитационное взаимодействие частиц и античастиц, до конца еще не решен, однако ответ на него почти очевиден.
Для начала обратимся к эйнштейновской общей теории относительности. Она основана на принципе строгого равенства гравитационной и инертной масс, причем для обычного вещества это утверждение экспериментально подтверждено множеством точнейших измерений. Поскольку инертная масса частицы точно равна массе ее античастицы, представляется очень вероятным, что их гравитационные массы тоже равны. Однако это все-таки предположение, пусть и очень правдоподобное, и средствами ОТО оно недоказуемо.
Можно не сомневаться, что когда-нибудь на этот вопрос ответит Его Величество Эксперимент. Нужно-то немного — накопить побольше антивещества и посмотреть, как оно поведет себя в поле земного тяготения. Однако технически эти измерения невероятно сложны, и трудно предсказать, когда их удастся осуществить.
Так в чем же разница?
После открытия позитрона в течение четверти века почти все физики были уверены, что природа не видит различий между частицами и античастицами. Конкретнее, считалось, что любому физическому процессу с участием частиц соответствует точно такой же процесс с участием античастиц и осуществляются они оба с одинаковой вероятностью. Наличные экспериментальные данные свидетельствовали, что этот принцип соблюдается для всех четырех фундаментальных взаимодействий — сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного.
А потом как-то сразу все резко изменилось. В 1956 году американские физики Ли Дзун-дао и Янг Дженьнин опубликовали удостоенную Нобелевской премии работу, в которой они обсуждали затруднения, связанные с тем, что две, казалось бы, одинаковые частицы, тэтамезон и таумезон, распадаются на разное число пионов. Авторы подчеркнули, что эту проблему можно разрешить, если предположить, что такие распады связаны с процессами, характер которых изменяется при переходе от правого клевому, иначе говоря, при зеркальном отражении (чуть позже физики поняли, что в общем виде нужно говорить об отражениях в каждой из трех координатных плоскостей — или, что то же самое, о смене знаков всех пространственных координат, пространственной инверсии). Это означает, что зеркально отраженный процесс может оказаться под запретом или происходить с иной вероятностью, нежели до отражения. Годом позже американские экспериментаторы (принадлежащие двум независимым группам и работавшие разными методами) подтвердили, что такие процессы действительно существуют.
Это было только начало. Тогда же физики-теоретики из СССР и США осознали, что нарушение зеркальной симметрии делает возможным и нарушение симметрии относительно замены частиц на античастицы, что тоже было неоднократно доказано в экспериментах. Стоит отметить, что незадолго до Ли и Янга, но все в том же 1956 году возможность нарушения зеркальной симметрии обсуждали физик-экспериментатор Мартин Блок и великий теоретик Ричард Фейнман, но они так и не опубликовали этих соображений.
Физики традиционно обозначают зеркальное отражение латинской буквой Р, а замену частиц на их античастицы — буквой С. Обе симметрии нарушаются только в процессах с участием слабого взаимодействия, того самого, что несет ответственность за бета-распад атомных ядер. Отсюда следует, что именно благодаря слабым взаимодействиям существуют различия в поведении частиц и античастиц.
Странное нарушение зеркальной симметрии вызвало к жизни попытки чем-то ее компенсировать. Уже в 1956 году Ли и Янг и независимо от них Лев Ландау предположили, что природа не делает различий между системами, которые получаются друг из друга совместным применением преобразований С и Р (так называемая СР-симметрия). С точки зрения теории эта гипотеза выглядела очень убедительной и к тому же хорошо ложилась на экспериментальные данные. Однако всего через восемь лет сотрудники Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили, что один из незаряженных К-мезонов (или, как их еще называют, каонов) может распадаться на пионную пару. При строгом соблюдении СР-симметрии такое превращение невозможно — и следовательно, эта симметрия не универсальна! Правда, доля вроде бы запрещенных распадов не превышала 0,2%, но они все же имели место! Это открытие принесло руководителям брукхейвенской команды Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу Нобелевскую премию по физике.
Симметрия и антиматерия
Нарушения СР-симметрии непосредственно связаны с отличием материи от антиматерии. В конце 1990-х годов в ЦЕРН провели очень красивый эксперимент с нейтральными каонами К0, каждый из которых состоит из d-кварка и более массивного странного антикварка. Законы природы позволяют антикварку потерять часть энергии и превратиться в анти-d. Высвободившаяся энергия может пойти на распад каона, однако не исключено, что соседний d-кварк поглотит ее и превратится в странный кварк. В результате этого возникнет частица, состоящая из анти-d-кварка и странного кварка, то есть нейтральный антикаон. Формально это превращение можно описать как результат применения к каону СР-преобразования!
Таким образом, если СР-симметрия соблюдается абсолютно строго, то нейтральные каоны К0 переходят в свои античастицы с точно такой же вероятностью, с какой те претерпевают обратные превращения. Любое нарушение СР-симметрии повлечет за собой изменение одной из этих вероятностей. Если приготовить пучок из равного числа нейтральных каонов и антикаонов и проследить динамику концентрации тех и других частиц, можно выяснить, уважают ли их квантовые осцилляции СР-симметрию.
Именно это и сделали физики из ЦЕРН. Они выяснили, что нейтральные антикаоны становятся каонами чуть-чуть быстрее, чем превращаются в антикаоны. Иначе говоря, был обнаружен процесс, в ходе которого антиматерия превращается в материю быстрее, чем материя — в антиматерию! В смеси с изначально равными долями вещества и антивещества со временем образуется пусть небольшой, но все же поддающийся измерению избыток вещества. Такой же эффект был выявлен в экспериментах и с другими тяжелыми нейтральными частицами — D0-мезонами и B0-мезонами.
Таким образом, к концу ХХ века экспериментаторы убедительно доказали, что слабые взаимодействия по-разному влияют на частицы и античастицы. Хотя эти различия сами по себе очень малы и выявляются лишь в ходе некоторых превращений весьма экзотических частиц, они все совершенно реальны. Это и означает наличие физической асимметрии между материей и антиматерией.
Для полноты картины стоит отметить еще одно обстоятельство. В 1950-х годах было доказано важнейшее положение релятивистской квантовой механики — СРТ-теорема. Она гласит, что частицы и античастицы строго симметричны по отношению к СР-преобразованию, за которым следует обращение времени (строго говоря, эта теорема верна лишь без учета гравитации, в противном случае вопрос остается открытым). Следовательно, если в каких-то процессах не соблюдается СР-симметрия, их скорость в «прямом» и «обратном» направлениях (что считать тем и другим, конечно, вопрос соглашения) должна быть неодинаковой. Именно это и доказали эксперименты в ЦЕРН с нейтральными каонами.
Где же антимиры?
В 1933 году Поль Дирак был уверен, что в нашей Вселенной существуют целые острова антивещества, о чем и упомянул в своей нобелевской лекции. Однако современные ученые считают, что таких островов нет ни в нашей Галактике, ни за ее пределами.
Конечно, антиматерия как таковая существует. Античастицы порождаются многими высокоэнергетическими процессами — скажем, термоядерным горением звездного топлива и взрывами сверхновых звезд. Они возникают в облаках замагниченной плазмы, окружающих нейтронные звезды и черные дыры, во время столкновений быстрых космических частиц в межзвездном пространстве, при бомбардировке земной атмосферы космическими лучами и, наконец, в экспериментах на ускорителях. Кроме того, распад некоторых радионуклидов сопровождается образованием античастиц- а именно позитронов. Но все это лишь античастицы, а отнюдь не антивещество. До сих пор никому не удалось обнаружить даже космический антигелий, не говоря уж об элементах потяжелее. Не увенчался успехом и поиск гамма-излучения со специфическим спектром, обусловленного аннигиляцией на границах космических скоплений материи и антиматерии.
В научной литературе периодически появляются сообщения об открытии нестандартных первичных источников космических античастиц непонятного происхождения. В апреле 2009 года были опубликованы данные о загадочном избытке чрезвычайно быстрых позитронов, зарегистрированном детекторным комплексом PAMELA. Эта аппаратура размещена на борту российского спутника «Ресурс-ДК1», 15 июня 2006 года отправленного на околоземную орбиту с космодрома Байконур. Некоторые эксперты интерпретировали этот результат как возможное свидетельство аннигиляции гипотетических частиц темной материи, но вскоре появилось и не столь экзотическое объяснение. Эту гипотезу прокомментировал для «ПМ» известный специалист по космическим лучам Вениамин Березинский из Национальной лаборатории Гран-Сассо, входящей в состав итальянского Национального института ядерной физики: «Стандартная модель рождения галактических космических лучей покоится на трех положениях. Первым и основным источником заряженных частиц считают остатки сверхновых. Вторая идея — частицы ускоряются до ультрарелятивистских скоростей на фронтах послевзрывных ударных волн, причем в этом ускорении очень велика роль их собственного магнитного поля. Третье положение заключается в том, что космические лучи распространяются диффузионно. Мой бывший студент, а ныне профессор Национального института астрофизики Паскуале Блази показал, что избыток позитронов, обнаруженный комплексом PAMELA, вполне согласуется с этой моделью. Разогнанные в ударных волнах протоны сталкиваются с частицами космического газа и именно в этой зоне своего ускорения превращаются в положительные пионы, которые распадаются с образованием позитронов и нейтрино. Согласно вычислениям Блази, этот процесс вполне может дать именно такую концентрацию позитронов, которую выявила PAMELA. Подобный механизм генерации позитронов выглядит абсолютно естественно, однако почему-то до сих пор он никому не приходил в голову. Блази показал также, что эти же процессы должны генерировать и избыточные антипротоны. Однако поперечное сечение их рождения много меньше соответствующей величины для позитронов, из-за чего их можно зарегистрировать лишь при более высоких энергиях. Думаю, что со временем это станет возможным».
Вообразим, что мы летим на межзвездном корабле, который приближается к планете с разумной жизнью. Как узнать, из чего сделаны наши братья по разуму — из вещества или из антивещества? Можно отправить разведывательный зонд, но если он взорвется в атмосфере, нас могут счесть за космических агрессоров, как это происходит в фантастическом романе Кшиштофа Боруня «Антимир». Этого можно избежать с помощью все тех же нейтральных каонов и антикаонов. Как уже говорилось, они способны не только превращаться друг в друга но и распадаться, причем разными способами. В частности, в подобных распадах могут рождаться нейтрино в сопровождениии либо положительных пионов и электронов, либо отрицательных пионов и позитронов. В силу асимметрии между материей и антиматерией темпы таких реакций несколько различны. Это обстоятельство и можно использовать в качестве «лакмусовой бумаги». Для проверки чужой планеты на антиматериальность удобно взять не чистые каоны и антикаоны, а их смешанные состояния, которые принято обозначать как Ks и Kl (s – short, а l – long). Дело в том, что во состоянии L жизненный срок частицы в 570 раз длиннее, нежели в состоянии S (5,12х10^-8 сек против 8,95х10^-11 сек). В долгоживущей версии каонов симметрия материи и антиматерии проявляется гораздо сильнее – на каждые 10 тысяч распадов нужного типа примерно 5015 производят позитроны, а 4985 – электроны. Кстати, заметим, что исторический эксперимент Кронина и Финча тоже сделан на Kl-мезонах. А теперь начнем беседу с братьями по разуму. Каоны обладают характерной массой, чуть превышающей половину массы протона. Давайте объясним партнерам по переговорам, что нам нужна нестабильная нейтральная частица, масса которой немного больше массы ядра простейшего из атомов. Инопланетные физики уразумеют, о чем речь, изготовят Kl-мезоны и определят интересующие нас характеристики их распадов. Когда они в этом преуспеют, мы спросим, совпадает ли знак электрического заряда самой легкой из заряженных частиц, порождаемой в этих распадах чуть-чуть чаще, чем аналогичная частица противоположного знака, со знаком частиц, входящих в состав атомов их мира. В случае положительного ответа нам станет ясно, что в состав их атомов входят позитроны и, следовательно, инопланета состоит из антиматерии. А если ответ будет отрицательным – можно готовиться к посадке!
В общем, пока все говорит за то, что в космосе нет ни антизвезд, ни антипланет, ни даже самых крохотных антиметеоров. С другой стороны, общепринятые модели Большого взрыва утверждают, что вскоре после рождения наша Вселенная содержала одинаковое количество частиц и античастиц. Так почему же первые сохранились, а вторые исчезли. Ответ на этот вопрос читайте в одном из следующих материалов.
Война частиц и античастиц
В соответствии с уравнением Дирака встреча электрона с позитроном имеет для них фатальные последствия — обе частицы исчезают. Столь удивительный прогноз и его экспериментальные подтверждения произвели сильное впечатление и на физиков, и на нефизиков — как-никак это был первый пример полной трансформации вещества в излучение. Новооткрытый эффект назвали аннигиляцией, что по-латыни означает полное уничтожение.
На самом деле утверждение о том, что взаимодействие частиц и античастиц неизменно влечет за собой рождение фотонов, неверно даже по отношению к электронам и позитронам. Свободная электронно-позитронная пара аннигилирует с образованием электромагнитных квантов лишь в том случае, если ее энергия не слишком велика. Очень быстрые электроны и позитроны способны порождать положительные и отрицательные пи-мезоны (они же пионы), плюс- и минус-мюоны, протоны и антипротоны, и даже еще более тяжелые частицы — хватило бы только энергии. Медленные протоны и антипротоны при аннигиляции дают начало заряженным и нейтральным пионам (а быстрые — и другим частицам), которые распадаются на гамма-кванты, мюоны и нейтрино. В принципе, столкновение частицы и ее антикопии может дать на выходе любую из комбинаций частиц, не запрещенных принципами симметрии и законами сохранения.
Может показаться, что аннигиляция ничем не отличается от прочих межчастичных взаимодействий, однако одна принципиальная особенность у нее имеется. Чтобы стабильные частицы, такие как протоны или электроны, при встрече породили ливень из экзотических обитателей микромира, их нужно как следует разогнать. Медленные протоны при встрече просто изменят свою скорость — этим дело и закончится. А вот протон и антипротон, сблизившись, либо претерпят упругое рассеяние и разойдутся, либо аннигилируют и произведут на свет вторичные частицы.
Все вышеописанное относится к аннигиляции свободных частиц. Если хотя бы одна из них входит в состав квантовой системы, в принципе ситуация остается прежней, но альтернативы изменяются. Например, аннигиляция свободного электрона и свободного позитрона никогда не может породить всего один квант — не позволяет закон сохранения импульса. Это легче всего увидеть, если работать в системе центра инерции сталкивающейся пары, — тогда начальный импульс будет равен нулю и потому никак не сможет совпасть с импульсом единичного фотона, куда бы тот ни улетел. Если же позитрон встретится с электроном, входящим, скажем, в состав атома водорода, возможна и однофотонная аннигиляция — в этом случае часть импульса передастся атомному ядру.
Как насчет антиграва?
Английский физик Артур Шустер полагал, что антиматерия гравитационно отталкивается от обычной материи, но современная наука считает это маловероятным. Из самых общих принципов симметрии законов микромира следует, что античастицы должны притягиваться друг к другу силами тяготения, подобно частицам без приставки «анти». Вопрос о том, каково гравитационное взаимодействие частиц и античастиц, до конца еще не решен, однако ответ на него почти очевиден.
Для начала обратимся к эйнштейновской общей теории относительности. Она основана на принципе строгого равенства гравитационной и инертной масс, причем для обычного вещества это утверждение экспериментально подтверждено множеством точнейших измерений. Поскольку инертная масса частицы точно равна массе ее античастицы, представляется очень вероятным, что их гравитационные массы тоже равны. Однако это все-таки предположение, пусть и очень правдоподобное, и средствами ОТО оно недоказуемо.
Еще один аргумент против гравитационного отталкивания между веществом и антивеществом следует из квантовой механики. Вспомним, что адроны (частицы, принимающие участие в сильных взаимодействиях) сложены из кварков, склеенных глюонными связями. В состав каждого бариона входят три кварка, в то время как мезоны состоят из парных комбинаций кварков и антикварков, причем не всегда одних и тех же (мезон, в состав которого входят кварк и его собственный антикварк, является истинно нейтральной частицей в том смысле, что он полностью тождественен своему антимезону). Однако эти кварковые структуры нельзя считать абсолютно стабильными. Протон, например, скомпонован из двух u-кварков, каждый из которых несет элементарный электрический заряд +2/3, и одного d-кварка с зарядом –1/3 (поэтому заряд протона равен +1). Однако эти кварки в результате взаимодействия с глюонами могут на очень короткое время менять свою природу — в частности, превращаться в антикварки. Если частицы и античастицы гравитационно отталкиваются, вес протона (а также, естественно, нейтрона) должен давать слабые осцилляции. Однако до сих пор ни в единой лаборатории подобный эффект не обнаружили.
Можно не сомневаться, что когда-нибудь на этот вопрос ответит Его Величество Эксперимент. Нужно-то немного — накопить побольше антивещества и посмотреть, как оно поведет себя в поле земного тяготения. Однако технически эти измерения невероятно сложны, и трудно предсказать, когда их удастся осуществить.
Антиматерия и Млечный путь
В 1970-х годах астрономы при помощи гамма-телескопов, установленных на высотных аэростатах, обнаружили гамма-кванты с энергией 511 кэВ, приходящие из самого центра нашей Галактики — Млечного Пути. Именно такая энергия характерна для аннигиляции свободных электронов и позитронов, что позволило предположить наличие облака антиматерии размером около 10 000 световых лет.
Так в чем же разница?
После открытия позитрона в течение четверти века почти все физики были уверены, что природа не видит различий между частицами и античастицами. Конкретнее, считалось, что любому физическому процессу с участием частиц соответствует точно такой же процесс с участием античастиц и осуществляются они оба с одинаковой вероятностью. Наличные экспериментальные данные свидетельствовали, что этот принцип соблюдается для всех четырех фундаментальных взаимодействий — сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного.
А потом как-то сразу все резко изменилось. В 1956 году американские физики Ли Дзун-дао и Янг Джень-нин опубликовали удостоенную Нобелевской премии работу, в которой они обсуждали затруднения, связанные с тем, что две, казалось бы, одинаковые частицы, тэта-мезон и тау-мезон, распадаются на разное число пионов. Авторы подчеркнули, что эту проблему можно разрешить, если предположить, что такие распады связаны с процессами, характер которых изменяется при переходе от правого к левому, иначе говоря, при зеркальном отражении (чуть позже физики поняли, что в общем виде нужно говорить об отражениях в каждой из трех координатных плоскостей — или, что то же самое, о смене знаков всех пространственных координат, пространственной инверсии). Это означает, что зеркально отраженный процесс может оказаться под запретом или происходить с иной вероятностью, нежели до отражения. Годом позже американские экспериментаторы (принадлежащие двум независимым группам и работавшие разными методами) подтвердили, что такие процессы действительно существуют.
Это было только начало. Тогда же физики-теоретики из СССР и США осознали, что нарушение зеркальной симметрии делает возможным и нарушение симметрии относительно замены частиц на античастицы, что тоже было неоднократно доказано в экспериментах. Стоит отметить, что незадолго до Ли и Янга, но всё в том же 1956 году возможность нарушения зеркальной симметрии обсуждали физик-экспериментатор Мартин Блок и великий теоретик Ричард Фейнман, но они так и не опубликовали этих соображений.
Физики традиционно обозначают зеркальное отражение латинской буквой P, а замену частиц на их античастицы — буквой C. Обе симметрии нарушаются только в процессах с участием слабого взаимодействия, того самого, что несет ответственность за бета-распад атомных ядер. Отсюда следует, что именно благодаря слабым взаимодействиям существуют различия в поведении частиц и античастиц.
Странное нарушение зеркальной симметрии вызвало к жизни попытки чем-то ее компенсировать. Уже в 1956 году Ли и Янг и независимо от них Лев Ландау предположили, что природа не делает различий между системами, которые получаются друг из друга совместным применением преобразований C и P (так называемая CP-симметрия). С точки зрения теории эта гипотеза выглядела очень убедительной и к тому же хорошо ложилась на экспериментальные данные. Однако всего через восемь лет сотрудники Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили, что один из незаряженных К-мезонов (или, как их еще называют, каонов) может распадаться на пионную пару. При строгом соблюдении CP-симметрии такое превращение невозможно — и следовательно, эта симметрия не универсальна! Правда, доля вроде бы запрещенных распадов не превышала 0,2%, но они всё же имели место! Это открытие принесло руководителям брукхейвенской команды Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу Нобелевскую премию по физике.
Современная физика и Зазеркалье
Впервые гипотеза зеркальной материи была четко сформулирована в статье Игоря Кобзарева, Льва Окуня и Исаака Померанчука, опубликованной в 1966 году.
С легкой руки Льюиса Кэрролла Зазеркальем называют волшебную страну, которая находится по ту сторону зеркала и существует лишь в человеческом воображении. Однако современные физики вполне серьезно говорят о наличии зеркального мира или, что точнее, зеркальной материи. И если ее найдут, старая сказка в каком-то смысле станет былью.
К 1966 году было известно, что при распаде каонов СР-симметрия не соблюдается. Авторы показали, что эту симметрию можно в некотором смысле сохранить (или, вернее, обобщить), если предположить, что каждой частице соответствует зеркальная частица с такими же физическими характеристиками. Для этого они постулировали симметрию относительно преобразования СРА, где операция А как раз и заменяет частицу ее зеркальным партнером (буква А — напоминание о кэрролловской Алисе). Другая возможность, отмеченная Кобзаревым, Окунем и Померанчуком, состоит в том, что общими для нашей и зеркальной материи могут быть нейтрино. Позднее Лев Окунь опубликовал десяток статей, где рассматривал различные возможные связи между обычной и зеркальной материей и предлагал эксперименты, которые позволили бы их обнаружить.
Гипотетические зеркальные частицы существуют не где-то в параллельной Вселенной, а в нашем пространстве. Они связаны друг с другом своими собственными взаимодействиями, которые не распространяются на частицы нашей материи, так же как наши взаимодействия не воспринимаются частицами зазеркалья. Отсюда следует, что в принципе могут существовать зеркальные галактики, звезды и планеты (в том числе и обитаемые), которые нельзя углядеть ни в один телескоп. Зарегистрировать зеркальную материю можно лишь одним способом — по гравитационным полям, поскольку она обычным образом притягивается к материи нашего мира.
В 1970-х годах усилия физиков-теоретиков были в основном направлены на разработку Стандартной модели элементарных частиц, и гипотеза зеркальных частиц как-то отодвинулась в тень. Потом интерес к ней возродился, и о ее нынешнем состоянии «Популярной механике» рассказал профессор теоретической физики Мэрилендского университета Рабиндра Мохапатра: «Физики возвратились к зеркальным частицам по двум причинам. В прошлом десятилетии укрепились позиции гипотезы темной материи и начала обсуждаться возможность существования так называемых стерильных нейтрино. Такие нейтрино подчиняются закону тяготения, но не принимают участия ни в сильном, ни в электромагнитном, ни в слабом взаимодействиях. В этом контексте в 1995 году австралийские теоретики Фут и Волкас и независимо от них я и грузинский физик Зураб Бережиани (он сейчас работает в Италии) предположили, что зеркальные частицы реально существуют и проявляют себя в стерильных нейтрино и темной материи. Многие из наших коллег признали, что эта идея заслуживает обсуждения. Возникает естественный вопрос — как обнаружить зеркальные частицы или их скопления? Если существуют, скажем, звезды из зеркальной материи, они выдадут свое присутствие только тяготением. Его можно обнаружить посредством эффекта гравитационного линзирования, но пока это еще никому не удалось. Однако есть и другая возможность, которую мы с соавторами обсуждаем в недавно опубликованной статье. Есть основания думать, что наши фотоны могут очень незначительно перемешиваться с фотонами зеркального сектора. Это обстоятельство в принципе открывает путь к регистрации зеркальных частиц».
Согласно одной из теорий, вскоре после рождения нашей Вселенной все зеркальные частицы, за исключением самых легких, распались. Выжившие же могут формировать космические скопления, проявляющие себя как гало темной материи. Тем не менее, согласно этому сценарию, зеркальных звезд и зеркальных планет не существует — для них просто не хватит строительного материала.
Симметрия и антиматерия
Таким образом, если CP-симметрия соблюдается абсолютно строго, то нейтральные каоны К 0 переходят в свои античастицы с точно такой же вероятностью, с какой те претерпевают обратные превращения. Любое нарушение CP-симметрии повлечет за собой изменение одной из этих вероятностей. Если приготовить пучок из равного числа нейтральных каонов и антикаонов и проследить динамику концентрации тех и других частиц, можно выяснить, уважают ли их квантовые осцилляции CP-симметрию.
Таким образом, к концу ХХ века экспериментаторы убедительно доказали, что слабые взаимодействия по-разному влияют на частицы и античастицы. Хотя эти различия сами по себе очень малы и выявляются лишь в ходе некоторых превращений весьма экзотических частиц, они все совершенно реальны. Это и означает наличие физической асимметрии между материей и антиматерией.
Для полноты картины стоит отметить еще одно обстоятельство. В 1950-х годах было доказано важнейшее положение релятивистской квантовой механики — СРТ-теорема. Она гласит, что частицы и античастицы строго симметричны по отношению к СР-преобразованию, за которым следует обращение времени (строго говоря, эта теорема верна лишь без учета гравитации, в противном случае вопрос остается открытым). Следовательно, если в каких-то процессах не соблюдается СР-симметрия, их скорость в «прямом« и «обратном» направлениях (что считать тем и другим, конечно, вопрос соглашения) должна быть неодинаковой. Именно это и доказали эксперименты в ЦЕРН с нейтральными каонами.
Мир или антимир?
Вообразим, что мы летим на межзвездном корабле, который приближается к планете с разумной жизнью. Как узнать, из чего сделаны наши братья по разуму — из вещества или антивещества? Можно отправить разведывательный зонд, но если он взорвется в атмосфере, нас могут счесть за космических агрессоров, как в фантастическом романе Кшиштофа Боруня «Антимир».
Этого можно избежать с помощью все тех же нейтральных каонов и антикаонов. Как уже говорилось, они способны не только превращаться друг в друга, но и распадаться, причем разными способами. В подобных распадах могут рождаться нейтрино в сопровождении либо положительных пионов и электронов, либо отрицательных пионов и позитронов. В силу асимметрии между материей и антиматерией темпы таких реакций несколько различны. Это обстоятельство и можно использовать в качестве «лакмусовой бумаги».
Для проверки планеты на антиматериальность удобно взять не чистые каоны и антикаоны, а их смешанные состояния; их обозначают как KS и KL (S — short, а L — long). Дело в том, что в состоянии L жизненный срок частицы в 570 раз длиннее, чем в состоянии S (5,12х10 –8 с против 8,95х10 –11 с). В долгоживущей версии каонов симметрия материи и антиматерии проявляется гораздо сильнее — на каждые 10 000 распадов нужного типа примерно 5015 производят позитроны, а 4985 — электроны. Кстати, исторический эксперимент Кронина и Финча тоже сделан на KL-мезонах.
А теперь начнем беседу. Каоны обладают характерной массой, чуть превышающей половину массы протона. Давайте объясним братьям по разуму, что нам нужна нестабильная нейтральная частица, масса которой немного больше массы ядра простейшего из атомов. Инопланетные физики изготовят KL-мезоны и определят характеристики их распадов. Мы спросим, совпадает ли знак электрического заряда самой легкой из заряженных частиц, порождаемой в этих распадах чуть чаще, чем аналогичная частица противоположного знака, со знаком частиц, входящих в атомы их мира. В случае положительного ответа нам станет ясно, что в состав их атомов входят позитроны и, следовательно, инопланета состоит из антиматерии. А если ответ будет отрицательным — можно готовиться к посадке!
Где же антимиры?
В 1933 году Поль Дирак был уверен, что в нашей Вселенной существуют целые острова антивещества, о чем и упомянул в своей нобелевской лекции. Однако современные ученые считают, что таких островов нет ни в нашей Галактике, ни за ее пределами.
Конечно, антиматерия как таковая существует. Античастицы порождаются многими высокоэнергетическими процессами — скажем, термоядерным горением звездного топлива и взрывами сверхновых звезд. Они возникают в облаках замагниченной плазмы, окружающих нейтронные звезды и черные дыры, во время столкновений быстрых космических частиц в межзвездном пространстве, при бомбардировке земной атмосферы космическими лучами и, наконец, в экспериментах на ускорителях. Кроме того, распад некоторых радионуклидов сопровождается образованием античастиц — а именно позитронов. Но все это лишь античастицы, а отнюдь не антивещество. До сих пор никому не удалось обнаружить даже космический антигелий, не говоря уж об элементах потяжелее. Не увенчался успехом и поиск гамма-излучения со специфическим спектром, обусловленного аннигиляцией на границах космических скоплений материи и антиматерии.
В научной литературе периодически появляются сообщения об открытии нестандартных первичных источников космических античастиц непонятного происхождения. В апреле 2009 года были опубликованы данные о загадочном избытке чрезвычайно быстрых позитронов, зарегистрированном детекторным комплексом PAMELA. Эта аппаратура размещена на борту российского спутника «Ресурс-ДК1», 15 июня 2006 года отправленного на околоземную орбиту с космодрома Байконур. Некоторые эксперты интерпретировали этот результат как возможное свидетельство аннигиляции гипотетических частиц темной материи, но вскоре появилось и не столь экзотическое объяснение. Эту гипотезу прокомментировал для «ПМ» известный специалист по космическим лучам Вениамин Березинский из Национальной лаборатории Гран-Сассо, входящей в состав итальянского Национального института ядерной физики: «Стандартная модель рождения галактических космических лучей покоится на трех положениях. Первым и основным источником заряженных частиц считают остатки сверхновых. Вторая идея — частицы ускоряются до ультрарелятивистских скоростей на фронтах послевзрывных ударных волн, причем в этом ускорении очень велика роль их собственного магнитного поля. Третье положение заключается в том, что космические лучи распространяются диффузионно. Мой бывший студент, а ныне профессор Национального института астрофизики Паскуале Блази показал, что избыток позитронов, обнаруженный комплексом PAMELA, вполне согласуется с этой моделью. Разогнанные в ударных волнах протоны сталкиваются с частицами космического газа и именно в этой зоне своего ускорения превращаются в положительные пионы, которые распадаются с образованием позитронов и нейтрино. Согласно вычислениям Блази, этот процесс вполне может дать именно такую концентрацию позитронов, которую выявила PAMELA. Подобный механизм генерации позитронов выглядит абсолютно естественно, однако почему-то до сих пор он никому не приходил в голову. Блази показал также, что эти же процессы должны генерировать и избыточные антипротоны. Однако поперечное сечение их рождения много меньше соответствующей величины для позитронов, из-за чего их можно зарегистрировать лишь при более высоких энергиях. Думаю, что со временем это станет возможным».
Антиматерия в космосе: Основные пути поиска антиматерии
Это регистрация излучения с энергией, характерной для аннигиляции, либо непосредственно регистрация античастиц по массе и заряду. Поскольку антипротоны и ядра антигелия не могут пролететь сквозь атмосферу, их регистрация возможна лишь с помощью инструментов, поднятых в высокие слои атмосферы на аэростатах, или орбитальных инструментов, таких как магнитный альфа-спектрометр AMS-01, доставленный на станцию «Мир» в 1998 году, или его значительно усовершенствованный собрат AMS-02 (на фото), который начнет свою работу на МКС в 2010 году.
В общем, пока все говорит за то, что в космосе нет ни антизвезд, ни антипланет, ни даже самых крохотных антиметеоров. С другой стороны, общепринятые модели Большого взрыва утверждают, что вскоре после рождения наша Вселенная содержала одинаковое количество частиц и античастиц. Так почему же первые сохранились, а вторые исчезли? Ответ на этот вопрос читайте в следующем номере «ПМ».