Почему антиматерии так мало?
Обсудить 1
Разговор о физических концепциях принято начинать с философов древности. В случае с антиматерией такое не пройдет: эта концепция — дитя XX века. Умозрительные рассуждения об антивеществе звучали чуть раньше, но настоящей датой его рождения следует считать 1928 год, когда Поль Дирак показал, что в решениях релятивистского уравнения Шредингера появляется странный математический объект, во всех смыслах подобный электрону, но с положительным зарядом.
Единственной известной тогда положительно заряженной частицей был протон, и некоторые ученые были не прочь ассоциировать предсказание Дирака именно с ним, однако 2000-кратная разница масс не позволяла. Споры лишь начали разгораться, как — уже в 1929 году — советский физик Дмитрий Скобельцын экспериментально зарегистрировал частицы, которые вели себя как электроны, но при движении отклонялись магнитным полем в противоположную сторону, то есть имели положительный электрический заряд.
Суть его эксперимента была довольно проста: камера Вильсона — предтеча современных детекторов элементарных частиц — дополнялась магнитами, поднималась на большую высоту и регистрировала прилетающие из космоса частицы. Скобельцыну не удалось доказать, что закрученные в «неправильном» направлении треки оставляют новые частицы-позитроны, а не случайные электроны, поднимающиеся в противоположном направлении, от Земли вверх. Лишь три года спустя Карл Андерсон усовершенствовал эксперимент, разделив камеру Вильсона свинцовой пластиной. По тому, как таинственные частицы тормозились свинцом, удалось различить направление их движения. Андерсон окончательно доказал существование позитронов, за что в 1936 году получил Нобелевскую премию.
Кстати, Поль Дирак именно в своей нобелевской лекции в 1933 году предсказал и существование отрицательно заряженного партнера протона — антипротона, который был экспериментально открыт в 1955 году физиками из Университета Беркли Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом, также заслужившими Нобелевскую премию. Через год там же, в Беркли, был обнаружен и антинейтрон. Настала пора задуматься, как этот антимир укладывается в наши представления о Вселенной.
Жалкие остатки
Стандартная модель физики элементарных частиц, сформулированная в 1950—1970-х годах, элегантно объединила частицы и античастицы в общем математическом подходе. В основе описанного ей мира лежат кварки и лептоны: из кварков состоят адроны, такие как протон и нейтрон, и их античастицы, а лептоны — это электрон с позитроном и их «тяжелые версии», мюоны и тау-лептоны. Ни физика элементарных частиц, ни теория Большого взрыва не дают преимущества тем или другим кваркам или лептонам.
Формулы показывают, что в самом начале Вселенной материя и антиматерия должны были появиться, в общем-то, в равных количествах. Результат их взаимодействия известен: аннигиляция — превращение всей массы в энергию, по эйнштейновской формуле E = mc2. Это и произошло почти сразу после Большого взрыва, и следы того грандиозного слияния материи и антиматерии сохранились в фотонах реликтового излучения. Все вещество, из которого сложены бесчисленные звезды, планеты и газовые облака современной Вселенной, — это лишь пережившие аннигиляцию остатки, небольшое количество первоначального вещества, на которое не хватило антивещества.
Преимущество материи над антиматерией было незначительным, но оказалось одной из самых больших загадок космологии. Ее выражает проблема барионной асимметрии Вселенной: в чем состояла та «фора», благодаря которой в новорожденном мире вещества образовалось чуть больше, чем антивещества? Она была действительно незначительной — упрощая, можно сказать, что на миллиард частиц антиматерии появлялись миллиард и еще одна частица материи обычной, —, но без этого различия Вселенная осталась бы пустотой, заполненной остаточным излучением. Не было бы и наблюдателей, способных успокоиться тем, что различий между веществом и антивеществом нет и все сработало в точности по формулам. К счастью, все сложилось иначе.
Минимальное преимущество
Одним из первых теоретическое объяснение барионному дисбалансу предложил Андрей Сахаров. Еще в конце 1960-х он связал асимметрию вещества и антивещества с нарушением пространственно-зарядовой четности (CP-симметрии) в фундаментальных взаимодействиях. Его выкладки подтверждаются экспериментами: слабое взаимодействие, в отличие от сильного и электромагнитного, «различает» вещество и антивещество. Формулы, описывающие этот вид взаимодействий, не сохраняют свою силу при зеркальном отражении системы частиц и их зарядов.
С другой стороны, для объяснения наблюдаемой разницы в количестве вещества и антивещества одного CP-нарушения недостаточно. Может быть, мы просто чего-то не замечаем? Звезды, целые галактики и даже кометы, состоящие из антиматерии, теоретически вполне возможны. Однако их поиск — задача непростая: в телескоп они ничем не должны отличаться от обычных комет, звезд и галактик. Поэтому больше надежд связывают с обнаружением сложных античастиц в составе космических лучей. Это стало одной из задач эксперимента AMS, начатого в 2011 году на борту МКС.
Установленный на внешней поверхности станции датчик ловит космические частицы и анализирует их состав в поисках частиц антигелия, самых перспективных для решения проблемы барионной асимметрии. Увы, на сегодняшний день все результаты указывают на отсутствие заметных количеств антиматерии в нашей Вселенной. Детектор работает до сих пор и обнаруживает лишь редкие античастицы, рождающиеся и исчезающие в результате взаимодействия обычной материи. Быть может, стоит поискать какие-то более тонкие различия между ними?
Синтетический антимир
Получение антиатомов на Земле оказалось технически крайне сложной задачей. Первые атомы антиводорода были получены лишь в 1995 году в эксперименте SP20 на ускорителе LEAR Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН). Самый тяжелый из синтезированных на сегодня антиэлементов — антигелий, ядро которого содержит антипротон и один или несколько антинейтронов. Антигелий-3 наблюдался еще до антиводорода, в 1970 году, на протонном синхротроне У-70 Института физики высоких энергий в Протвино. Изотоп антигелия-4 был зарегистрирован в 2010 году в американской Брукхейвенской национальной лаборатории.
Искусственно полученные античастицы не удержит ни один сосуд: взаимодействуя с атомами обычного вещества, они моментально аннигилируют. Поэтому сохранять антиатомы приходится в специальных магнитных ловушках Пеннинга — рекорд хранения на сегодня составляет около 17 минут. Однако и этого времени бывает достаточно для того, чтобы изучить свойства антивещества и проверить правильность некоторых предсказаний теории.
Одна из таких работ была проведена в 2017—2018 годах коллаборацией ALPHA в том же ЦЕРНе. Физики с огромной точностью измерили структуру спектра, связанного с взаимодействием магнитных моментов ядер и антиядер с магнитным полем электронов и позитронов. Однако даже этот ювелирный эксперимент не обнаружил никаких отличий в спектрах обычного гелия и антигелия — в полном согласии со Стандартной моделью, снова не давая никаких возможностей объяснить существование целой Вселенной обычного вещества.
Перспективы без перспектив
Существуют и альтернативные теоретические объяснения преобладания материи над антиматерией. Например, могут сохраниться целые регионы Вселенной, где преобладает антивещество, отделенное от нас преградой из очень горячего аннигиляционного «пара», возникающего на границе между областями, заполненными материей и антиматерией.
Другая идея связана с гипотезой о наличии у нейтрона или электрона собственного электрического дипольного момента (ЭДМ). В этом случае материя и антиматерия вели бы себя совсем по‑разному, давая задел для объяснения преимущества первой над второй. Однако все эксперименты показывают, что если ЭДМ у этих частиц и есть, то крайне слабый, никак не способный объяснить преобладание обычного вещества.
Вселенная любит баланс: на каждое действие находится противодействие, правому противопоставляется левое — и каждый случай асимметрии должен быть особенным. Несоответствие количества материи и антиматерии — это, пожалуй, самый фундаментальный пример такой несостыковки. И пока мы не поймем природу этого различия, все здание современной физики так и останется стоять на довольно шатких основаниях.
