Антиматерия и бариогенезис. Три причины, почему нет антивещества, но есть мы
Проводя беглый обзор по современной физике, можно ненароком подумать, что наши знания об окружающем мире исчерпаны. Обнаруженный в 1965 году космический микроволновый фон (CMB, от англ. «cosmic microwave background») ответил на многие вопросы об образовании Вселенной и её фундаментальных характеристиках: возрасте, геометрии, эволюции, распространенности элементов. Наиважнейшим следствием открытия CMB стало подтверждение теории Большого взрыва, предложенной Георгием Гамовым в качестве ответа на то, что является причиной закона Хаббла. Современная интерпретация теории Большого взрыва утверждает, что Вселенная возникла из нарушений стабильности высокоэнергетических полей, породивших инфляционное расширение и образование вещества. Неоднородности на квантовом уровне разрослись до макромасштабов и организовали материю в структуры, породившие звезды, а затем галактики.
Обнаружение космического микроволнового фона стало триумфом наблюдательной космологии, ознаменовавшее за собой исчерпывающее открытие всего. Казалось, что все ответы таятся именно в этом экзотическом излучении, а улучшения оборудования позволят учёным всё более точно формулировать законы мироздания. Казалось тогда и то, что весь мир наполнен лишь наблюдаемой материей, состоящей из протонов, нейтронов и электронов, излучающих также гамма-кванты, а изредка в атмосферах планет и звёзд под воздействием высоких энергий возникали более массивные частицы, которые, впрочем, стремительно распадались на более лёгкие. Множество этих частиц вызывало вопросы о том, возможно ли создать для них классификацию, подобную периодической системе химических элементов?
Для создания классификации в 1928 году Полем Дираком было предложено уравнение, которое бы определило характеристики частиц и нашло связующие звенья между ними. Оно прекрасно справилось с объяснением поведения и свойств открытых к тому моменту частиц: протонов, электронов и нейтронов. Благодаря уравнению Дирака удалось не только провести анализ этих трёх частиц, но и предвосхитить ещё неоткрытые. Это уравнение предоставляло верное решение и для частиц, противоположных по квантовым числам существующим, что озадачило научное сообщество и поставило под сомнение компетентность Дирака в качестве предиктора будущих открытий. Но самого Дирака это лишь ободрило на поиск так называемого «антивещества» — частицы, мир которой противоположен нашему. Тот факт, что антивещество ненаблюдаемо в ближнем космосе Дирак объяснял тем, что оно не хочет контактировать с материей, чтобы не породить аннигиляции, а потому находится далеко от нас. Попытки обнаружить частицы антиматерии не оказались тщетными — уже в 1932 году в космических лучах был обнаружен позитрон. Тем не менее, вопрос о распространённости антивещества остался открытым: ведь наблюдением от нашего мира его никак не отличить, тогда каким образом можно удостовериться в его существовании в свободном виде?
Наблюдения реликтового фона показывают, что в космосе нет выраженных неоднородностей, которые бы могли объясняться вспышками на границах областей с веществом и антивеществом, а измерения темпа синтеза ядер гелия в эпоху дозвёздного нуклеосинтеза определили, что на миллиард частиц материи во Вселенной приходится лишь одна частица антиматерии. Это означает, что в какой-то момент возник дисбаланс материи и антиматерии, который не допустил превращения массы в излучение в ранние эпохи Вселенной. Но что стало условием для его появления?
Первый обоснованный обзор проблемы бариогенезиса был предложен советским физиком Андреем Дмитриевичем Сахаровым в его статье «Нарушение CP-инвариантности, C-ассиметрия и барионная ассиметрия Вселенной», опубликованной в ежемесячнике «Письма в ЖЭТФ» в 1967 году. Сахаров предположил, что вырождение антивещества восходит к различию свойств вещества и антивещества, выраженного в нарушении зарядово-пространственной симметрии. Закрепляющими бариогенезис условиями автор обозначил нарушение теплового равновесия в ранней Вселенной и нарушение барионного числа. Работа Андрея Сахарова по праву считается главной отправной точкой для исследования проблем физики микро- и макромира и объединяет физику элементарных частиц и космологию. В рамках данной темы мной будут кратко рассмотрены все главные аспекты, приведшие к бариогенезису.
После прочтения этой статьи я рекомендую читателю ознакомиться с этой темой подробнее в моей видеолекции и посмотреть мой телеграм-канал.
Первое условие. Физическая ассиметрия
Согласно уравнению Дирака, вещество и антивещество являются симметричными относительно друг друга. Физическая симметрия выражается в неизменности характера их поведения независимо от нахождения в пространстве и времени. Это же следствие исходит из того факта, что в нашем мире существуют фундаментальные законы сохранения. В 1918 году физиком и математиком Эмми Нётер была доказана теорема о том, что каждому закону сохранения соответствует симметрия и что первое является производным от второго. Например, закону сохранения энергии соответствует симметрия относительно времени, а закону сохранения импульса — симметрия относительно пространства. Таким образом, мы можем говорить о том, что существуют симметрии, которые антивещество нарушает. Как это нарушение выражается?
Представим, что мы встречаем инопланетянина и нам кажется, что он состоит из антиматерии. Во избежание плачевного исхода нам необходимо убедиться в том, правы мы или нет. Для этого нужно провести ряд экспериментов, которые отличат антивещество от вещества. В первом опыте предложим испытуемому пронаблюдать нейтрино. Представим, что нейтрино — это камень, катящийся с горы. По логике камень должен вращаться вперед по направлению движения — такой же логике следует любая частица или античастица, но не антинейтрино. Антинейтрино будет вращаться в другую сторону, обратную направлению скатывания. Другим языком, нейтрино вращается по часовой стрелке, а антинейтрино — против. Таким образом нарушается зарядовая четность, так как наблюдается различие в поведении вещества и антивещества.
Проведём другой эксперимент: поставим перед нейтрино зеркало — очевидно, что в отражении лево заменяется на право, а нейтрино в нём будет обращаться в другую сторону, нежели действительное нейтрино, чем нарушится пространственная симметрия. Если заменить нейтрино в отражении на антинейтрино, которое обращается в другую сторону, то и оно, и нейтрино вне зазеркалья будут обращаться в одну сторону. Таким образом нарушения пространственной и зарядовой чётностей компенсируют друг друга и сохраняют комплексную симметрию — пространственно-чётную или CP-симметрию. Отлично! Теперь-то у нас есть способ определить природу нашего инопланетянина? Ан-нет, ведь если не находиться с ним в визуальном контакте, то определить, что есть право, а что — лево невозможно. В таком случае инопланетянин не сможет объяснить направление вращения своего нейтрино. Тогда необходим эксперимент, который бы демонстрировал нарушение CP-симметрии, то есть различил частицу от античастицы вне зависимости от пространственного положения.
Если инопланетянин смог определить направление нейтрино, то, вероятно, ему по силам построить ускоритель частиц. В одном из таких мы попросим его пронаблюдать долгоживущий K-мезон. Поскольку этот мезон является нейтральным и имеет странный кварк в своём составе, у него нет античастицы, соответственно существует две такие моды распада, где частицы являются античастицами сами себе. У каона такими распадами являются:
Вопреки логике, вероятность распада по первой моде на несколько тысячных процента больше, чем по второй. Таким образом инопланетянин может сказать, большее ли или меньшее число его электронов появляется при распаде каона, откуда следует вывод о том, из позитронов или из электронов он состоит, а также о нарушении CP-инвариантности.
Второе условие. Нарушение барионного числа
В отличие от фундаментальных законов сохранения, соответствующих какой-либо симметрии, феноменологические законы сохранения являются исключительно эмпирическими и не имеют под собой устойчивой теории в виде, например, тех же симметрий. Нарушение барионного числа также является феноменологическим, так как во всех наблюдаемых реакциях количество барионов до реакции с высокой вероятностью равно количеству барионов после реакции. В первоначальной Вселенной количество барионов и антибарионов было равным, но затем последовало его расхождение, вызвавшее вырождение антибарионов — это говорит нам о том, что в какой-то момент барионное число было нарушено. Возможно ли в современных условиях утверждать о том, что барионное число нарушается? — пожалуй, наука имеет несколько предположений насчёт того, как это может происходить.
Главным образом нам необходимо определить то, почему закон сохранения барионного числа не является фундаментальным. В Стандартной модели, самой совершенной на текущий момент теории в физике элементарных частиц, существует разделение типов материи на материальные частицы, которые включают в себя барионы — частицы, участвующие в сильном взаимодействии и имеющие дробный электрический заряд (кварки), и лептоны — легкие частицы с целым электрическим зарядом, восприимчивые к слабому взаимодействию (например, электроны и нейтрино);, а также бозоны — переносчики взаимодействия, такие как фотон, глюоны и векторные бозоны. Представим, что материальная частица — это человек, играющий в волейбол, а его инструмент, мяч — это бозон, переносчик взаимодействия. Два человека двигаются по полю и при этом периодически обмениваются мячом подобно тому, как две частицы могут обладать собственным движением, при этом взаимодействуя с другой частицей передачей бозона. Человек может контролировать подачу направлением и силой, прилагаемой к мячу — этим самым игрок характеризует свою подачу, тогда как частица подобно этому примеру передает часть своих свойств другой частице.
Но человек способен играть во множество видов спорта, требующих манипуляции с мячом — это может быть и футбол, и баскетбол, и теннис, и даже боулинг. Все перечисленные примеры способны охарактеризовать различные проявления взаимодействий в зависимости от того, какая сила требуется для того, чтобы орудовать бозоном: фотон подобен теннисному мячу, он не требует больших усилий для того, чтобы его куда-нибудь запульнуть, а глюоны наоборот — они как шары для боулинга не по силе для некоторых частиц. Но что в боулинг, что в теннис играют люди. Тогда может быть и частицы, орудующие разными бозонами, имеют что-то общее?
Представьте себе двух карикатурных персонажей: физика-заучку и бодибилдера. Предложим обоим поднять два веса: гирю весом в килограмм и гирю весом в полцентнера. Очевидно, что лёгкую гирю поднимут оба, а вот тяжёлую — только бодибилдер. А теперь облачим подопытных в экзоскелет, с помощью которого можно тягать тонну. В таком случае какую бы силу оба не имели, с поставленными задачами в виде поднятия двух гирь они справятся легко. Мы убедились в том, что если приложить стороннюю силу, придать дополнительную энергию, то можно замыть разницу между потенциалом двух тел. Так может и для частиц при высоких энергиях пропадает разница в том, какие у них первоначальные характеристики?
В 1967 году С. Вайнберг и А. Салам независимо друг от друга предположили, что при высоких энергиях электромагнитное и слабое взаимодействие начинают вести себя как одно взаимодействие, а для частиц, участвующих в этих взаимодействиях, разница между фотонами и векторными бозонами при обмене становится неразличима. Это как раз то, о чём я говорил в предыдущем абзаце. Долгого подтверждения их идея не потребовала — энергии, необходимые для слияния взаимодействий, были достижимы для ускорителей частиц уже в те годы — это была энергия в 100 ГэВ или энергия покоя ста протонов. Энергетически подпитанные в ускорителе частицы вступили в так называемое электрослабое взаимодействие. В 1979 году за открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.
Существование электрослабого взаимодействия подтвердило тот факт, что некоторые частицы схожи между собой. Могут ли по этой же логике схожими быть и все материальные частицы, то есть лептоны и барионы? Конечно, но для этого необходимо предположить, что уже электрослабое и сильное взаимодействия переходят в общее взаимодействие на определённом уровне энергий. Теоретически было обнаружено, что необходимая для объединения энергия расположена на отметке 1016 ГэВ, что на пятнадцать порядков больше, чем энергия, необходимая для образования электрослабого взаимодействия. Подобные фантастические энергии недостижимы для ускорителей ни сейчас, ни в далёком будущем, и существовали в самые первые моменты Вселенной в эпоху инфляционного расширения. При таких энергиях нет разницы между лептоном и барионом, они представляют собой один класс частиц.
Таким образом, для нового супервзаимодействия становятся доступны экзотические в нашем мире распады, например, распад протона. Протон, пожалуй, и является виновником того, почему было введено понятие стабильности барионного числа — это самая лёгкая частица, состоящая из трёх кварков, распадаться ей попросту не на что. Но легче протона есть и другие частицы — лептоны без барионного числа, а также мезоны с нулевым барионным числом. Таким образом, протон при высоких энергиях может перейти в другие подобные себе частицы, распавшись по модам:
Но необходимы ли столь высокие энергии для подобных экзотических процессов? Статистически, нет, ведь существует малая вероятность того, что подобный распад может произойти и в современной, низкоэнергетической Вселенной. Мы можем поместить огромное количество протонов в регистрируемую область и наблюдать в ней частицы, которые могут возникнуть только из распада протона. Так, например, поступили в эксперименте Super-Kamiokande, где в резервуаре, окружённом фотоумножителями, 50 килотонн воды помещает в себе более бессметное количество протонов. И подобных установок в мире несколько — все они уже не первый десяток лет пытаются обнаружить распад протона, но тщетно. Сейчас установлено, что нижний порог времени жизни протона составляет около 1032 лет. То есть наблюдая 1032 протонов целый год нами не будет обнаружено ни одной реакции его распада. Это фантастическое сохранение барионного числа!
А могут ли по такой же логике другие частицы нарушить барионное число? Да, но уже не в реакции распада, а в кое-чём другом. Я уже упоминал нейтрино в качестве частиц, которые нарушают зарядовую симметрию. Так вот, они интересны не только этим. А начать нужно с истории их открытия. Когда люди поняли, что Солнце светит не благодаря химическим реакциям горения, но благодаря термоядерным реакциям, ответственным за слабое взаимодействие, были выведены реакции синтеза частиц. Как известно, в Солнце две более лёгкие частицы превращаются в одну более тяжелую, при этом по массе не равную двум предыдущим — массовая разница компенсируется энергией, излучаемой в виде фотона. Так вот оказалось, что и при таком характере реакций закон сохранения энергии нарушается.
Неужели часть энергии бесследно исчезает? Конечно, нет. Для решения этой проблемы было предложено ввести безмассовую частицу с нейтральным электрическим зарядом, которая бы обладала как раз той малой недостающей энергией, необходимой для равновесной реакции синтеза. Такой частицей и стало нейтрино. Нейтрино — это партнер массивного лептона, например, электрона, имеющий своё лептонное число, аналог барионного числа. В молодой Вселенной нейтрино отделилось от вещества раньше, чем излучение, поэтому его температура отличается от температуры микроволнового фона. Основным источником нейтрино, приходящих на Землю, является Солнце. Солнечные нейтрино позволяют определить характер реакций, протекающих на материнской звезде, отсюда и свойства самой звезды. В какой-то момент было обнаружено, что поток приходящих нейтрино слишком мал от теоретического предсказания; более того, в зависимости от времени суток количество нейтрино менялось — это не было связано с тем, что Солнце не находилось в зоне видимости, например, ночью, так как нейтрино не взаимодействует с веществом и спокойно проходит через него. Была высказана теория о том, что на пути к Земле с нейтрино что-то происходит. Более того, регистрируемые нейтрино по своим свойствам больше были похожи с электроном, нежели с мюоном или таоном — лептонами двух других поколений.
Оказалось, что нейтрино также делятся на поколения и имеют свои лептонные флейворные числа: электронность, мюонность и таонность. Так вот излучаемые Солнцем и регистрируемые нами нейтрино — это электронные нейтрино, примерно половина из которых по пути к нам… теряется? Отнюдь, оказывается, превращается в другой тип нейтрино. При этом лептонное число, естественно, не сохраняется. Если руководствоваться логикой объединения взаимодействий, нарушение лептонного числа может перейти в нарушение барионного. Превращения нейтрино из одного типа в другой, а иначе — осцилляции нейтрино, подтверждаются тем фактом, что нейтрино имеют массу, причём для каждого типа она разная! Открытие этих противоречащих Стандартной модели фактов стало главной темой Нобелевской премии по физике в 2015 году.
К сожалению, описанные процессы, приводящие к нарушению барионного числа, практически невозможно проверить ввиду: а) высоких энергий, необходимых для смешивания лептонов и кварков; б) бесконечно малых вероятностей, при которых смешивание может произойти в современной Вселенной.
Третье условие. Нарушение теплового равновесия
Несмотря на CP-инвариантность глобальная симметрия всё-таки сохраняется. Это выполняется при том условии, если к CP добавить обращение времени вспять. CPT-симметрия постулирует, что процессы, которые симметричны относительно направления времени, симметричны и друг другу, а независящие от направления времени процессы в разных Вселенных могут быть вариантивными: например, реакции распада. Но распады в стационарной системе, подчинённой медленному равномерному расширению, замываются, а в нашем случае и вовсе утверждают барион-антибарионную симметрию — сама вселенная становится более симметричной. Если предположить, что расширение было стремительным, то допускается и нарушение равновесности некоторых процессов в CPT-мире. Проще говоря, только в сценарии инфляционного расширения нарушение барионного числа и CP-нарушение вносят достаточный вклад в бариогенезис. Скорость протекания реакции в таком случае меньше, чем характерный темп расширения — сама реакция не успевает произойти с выполнением законов сохранения, что и является нарушением теплового равновесия.
Условия для его образования в стандартной теории Большого взрыва не выполняются: для эпохи Великого объединения характерным темпом расширение было время в 10^(-10) сек, а время течения реакции составляло 10^(-24) сек. Частицы перед расставанием успевали провзаимодействовать такое количество раз, которое необходимо для установления энергетического баланса, потому возникавшие квантовые флуктуации не разрастались, но быстро схлопывались обратно. Необходимо предположить, что темп расширения должен быть на несколько порядков выше, чем тот, который закладывает теория. Тогда возникшие флуктуации закрепляются и встраиваются во Вселенную в виде первых структур, разрастаясь до макроразмеров. Инфляционный сценарий также решает проблему анизотропии Вселенной, проявившуюся в виде наличия крупномасштабных структур и проблему плоской Вселенной.
Заключение
Как можно заметить, поставленные в 1967 году Андреем Дмитриевичем Сахаровым условия, которые бы привели Вселенную к современному облику, до сих пор не объяснены. Мы предполагаем, что в вопросах нарушений симметрий и зарядов замешаны распады частиц и нейтрино, что анизотропия Вселенной, закрепившая эти нарушения — это фундаментальное свойство природы. На пути к истине было открыто множество замечательных свойств природы, таких как массивность нейтрино и инфляция, множество новых частиц, о существовании которых когда-то и подумать было невозможно. И если кому-то кажется, что проблемы современной физики принуждают специалистов заниматься ерундой, то стоит сказать лишь то, что они неправы. Ведь вопрос нарушения симметрии между материей и антиматерией есть и вопрос о бытии — того события, которому мы обязаны своим существованием. И если есть смысл в жизни, то он состоит в том, чтобы понять, почему мы есть.
Моя более подробная видеолекция (ссылка)
Мой телеграм-канал: t.me/iluniverse
Ссылки (видеолекции)
Валерий Рубаков: «Откуда взялось вещество во Вселенной?» (ссылка);
Курс лекций Валерия Рубакова по космологии (ссылка);
Симметрии в мире элементарных частиц — Дмитрий Казаков (ссылка);
Дмитрий Казаков: «В ожидании открытий в физике элементарных частиц» (ссылка);
Дмитрий Казаков: «Как устроен мир. От атомов к ядрам и элементарным частицам.» (ссылка);
Капитонов И. М. — Физика атомного ядра и частиц — Слабое и сильное взаимодействие (ссылка);
Широков Е. В. — Физика нейтрино — Нейтринные осцилляции (ссылка);
Ссылки (текстовые статьи и лекции)
Барионная ассиметрия Вселенной. А.Д. Долгов, Я.Б. Зельдович, «Физика Космоса», 1986 (ссылка);
Вселенная вместо ничто, N+1 (ссылка);
Барионная ассиметрия Вселенной. А.Д. Сахаров, научные труды (ссылка);
Сахаров и космология, В. Рубаков, Троицкий Вариант №10(79), 2011 (ссылка);
Ассиметрия между материей и антиматерией впервые обнаружена в распадах барионов (ссылка);
Распад протона — невозможность 2,5 класса (ссылка);
Нобелевская премия по физике — 2008, И. Иванов (ссылка);
Обнаружено возможное нарушение CP-симметрии в нейтринных осцилляциях, А. Левин (ссылка);
Нейтральные каоны нарушают CP-симметрию (ссылка);
Сравнение типов взаимодействия (ссылка).
