Может ли существовать зеркальная версия нашего мира, где все идет вспять – и у каждого есть своеобразный антипод? Как сильно нужно согнуть законы физики в узел, чтобы это произошло? Одной из самых больших загадок в космологии является то, почему Вселенная по большей части материальна, а не антиматериальна.
Во время Большого Взрыва образовалось почти равное количество материи и антиматерии, а затем они аннигилировали. Почти равное. Потому мы и наблюдаем Вселенную из материи. Но могут ли где-то быть звезды из антивещества? С планетами из антивещества на орбите. Может ли где-то существовать зеркальная Вселенная, которая функционирует подобно нашей обычной Вселенной, но в которой все состоит из антиматерии? Существует ли в ней зло? Могут ли в ней жить люди, дети и женщины из антивещества, красивы ли они? Дерутся ли эти люди на мечах, носят ли золото и бриллианты?
Ладно, опустим эти фантазии. Существование антиматерии впервые предположил в 1928 году Поль Дирак, который осознал, что одним из следствий квантовой механики будет существование электронов с положительным, а не отрицательным зарядом. Они были открыты Карлом Андерсоном всего 4 года спустя и получили название «позитронов». Эти античастицы рождаются в результате столкновения высокоэнергетических частиц, которые происходят естественным образом во Вселенной, либо неестественным – в наших ускорителях частиц. Мы даже можем наблюдать аннигиляцию, когда материя и антиматерия сталкиваются друг с другом.
Физики обнаружили целый ряд античастиц. Антипротоны, антинейтроны, антиводород, антигелий. Впрочем, чего-то побольше пока нет. Однако большой вопрос: что было бы, если бы маятник Вселенной качнулся в другую сторону? Что было бы, если бы Вселенная состояла по большей части из антивещества? Продолжала бы она работать? Были бы у нас звезды, планеты, люди?
Когда физики подменяют материю антиматерией в своих уравнениях, они называют это зарядовым сопряжением (С-преобразованием). Но оказалось, что если заменить заряды частиц во Вселенной, она не будет работать так же, как наша старая добрая Вселенная. Чтобы решить эту проблему, физики вообразили последствия существования настоящей зеркальной Вселенной, где все частицы будут вести себя как зеркальные копии самих себя. Все будет наоборот. Спин, заряд, скорость, принципы действия. Инверсия. Будет ли это работать?
Опять же, ответ нет. Почти должно, но у слабой ядерной силы, которая управляет ядерным распадом, есть тенденция нарушить эту идею комбинированной четности. В зеркальной Вселенной слабое ядерное взаимодействие работает не очень. Симметрия четности, то есть инвариантность уравнений физики относительно этой зеркальной инверсии, соблюдается для всех реакций, связанных с электромагнетизмом и сильными взаимодействиями. Что, если обратить заряд и четность одновременно? Физики называют это CP-симметрией, комбинированной четностью, произведением двух симметрий.
В любопытном эксперименте, проведенном Джеймсом Кронином и Вэлом Фитчем в 1964 году, ученые продемонстрировали, что нет, в зеркальной антиматериальной Вселенной наши физические законы работать не будут. Этот эксперимент принес ученым Нобелевскую премию в 1980 году. Но у физиков есть еще один козырь в рукаве. Оказывается, если повернуть вспять время и сделать все из антивещества, то, взглянув в зеркало, вы получите истинную симметрию. Все физические законы будут работать, и вы получите вселенную, которая будет выглядеть в точности как наша собственная. Оказывается, мы могли бы жить в зеркальной Вселенной, если бы время шло вспять, а заряд каждой частицы был обращенным. И она была бы неотличима от нашего мира. И если так, то где гарантии, что мы живем не в зеркальной Вселенной?
В 1930-м году известный английский физик-теоретик Поль Дирак, выводя релятивистское уравнение движения для поля электрона, получил также и решение для некой иной частицы с той же массой и противоположным, положительным, электрическим зарядом. Единственная известная в то время частица с положительным зарядом – протон, не могла быть этим двойником, так как значительно отличалась от электрона, в том числе и в тысячи раз большей массой. Позже, в 1932-м году американский физик Карл Андерсон подтвердил предсказания Дирака. Изучая космические лучи, он открыл античастицу электрона, которая сегодня называется позитрон. Спустя 23 года на американском ускорителе были обнаружены антипротоны, а еще через год – антинейтрон.
Как известно, любая элементарная частица обладает рядом характеристик, чисел, описывающих ее. Также другие различные квантовые числа, определяющие свойства и состояния частиц. Если описывать античастицу, то простым языком – это зеркальное отображение частицы, с той же массой и электрическим зарядом. Почему же ученых так заинтересовали частицы, которые просто отчасти схожи и частично отличны от своих подлинников? Оказалось, что столкновение частицы и античастицы ведет к аннигиляции – их уничтожению, и высвобождению соответствующей им энергии в виде других высокоэнергетических частиц, то есть маленький взрыв. Мотивирует к изучению античастиц и тот факт, что вещество, состоящее из античастиц (антивещество) самостоятельно не образуется в природе, согласно наблюдениям ученых.
Выходя из вышесказанного, становится ясно, что наблюдаемая Вселенная состоит из материи, вещества. Однако, следуя известным физическим законам, ученые уверены в том, что вследствие Большого Взрыва обязаны образоваться в равном количестве вещество и антивещество, чего мы не наблюдаем. Очевидно, что наши представления о мире являются неполными, и либо ученые что-то упустили в своих расчетах, либо где-то за пределами нашей видимости, в отдаленных частях Вселенной имеется соответствующее количество антиматерии, так сказать «мир из антивещества».
Этот вопрос антисимметрии представляется одной из самых известных нерешенных физических задач. Согласно современным представлениям, структура вещества и антивещества почти не отличаются, по той причине, что электромагнитное и сильное взаимодействия, определяющие устройство материи, одинаково действуют как по отношению частицам, так и античастицам. Данный факт был подтвержден в ноябре 2015 года на коллайдере RHIC в США, когда российские и зарубежные ученые измерили силу взаимодействия антипротонов. Она оказалась равной силе взаимодействия протонов.
Рождение античастиц обычно происходит при образовании пар частица-античастица. Если при столкновении электрона и его античастицы – позитрона, высвобождается два гамма-кванта, то для создания электрон-позитронной пары понадобится высокоэнергетический гамма-квант, взаимодействующий с электрическим полем ядра атома. В лабораторных условиях это может происходить на ускорителях или в экспериментах с лазерами. В природных условиях – в пульсарах и около черных дыр, а также при взаимодействии космических лучей с некоторыми видами вещества.
Что такое антивещество? Для понимания достаточно привести следующий пример. Простейшее вещество, атом водорода состоит из одного протона, определяющего ядро, и электрона, который вращается вокруг него. Так вот антиводород – это антивещество, атом которого состоит из антипротона и вращающегося вокруг него позитрона. Несмотря на простую формулировку, синтезировать антиводород достаточно сложно. И все же в 1995-м году на ускорителе LEAR в ЦЕРНе ученым удалось создать 9 атомов такого антивещества, которые прожили всего 40 наносекунд и распались. Позже, при помощи массивных устройств была создана магнитная ловушка, которая удержала 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170000 атомов антиводорода – 0,28 аттограмм (10-18 грамм). Такого объема антивещества может быть достаточно для дальнейшего изучения, и это успех.
Сегодня с уверенностью можно заявить, что самое дорогое вещество в мире не калифорний, реголит или графен, и, конечно же, не золото, а антивещество. Согласно подсчетам NASA – создание одного миллиграмма позитронов будет стоить около 25 миллионов долларов, а 1 грамм антиводорода оценивается в 62,5 триллиона долларов. Интересно, что нанограмм антивещества, объем, который был использован за 10 лет в экспериментах ЦЕРНа, обошелся организации в сотни миллионов долларов.
Изучение антиматерии несет в себе весомый для человечества потенциал. Первое и наиболее интересное устройство, теоретически работающее на антивеществе – варп-двигатель. Некоторые могут помнить таковой из известного сериала «Звездный путь» («Star Trek»), двигатель питался энергией от реактора, работающего на основе принципа аннигиляции материи и антиматерии. В действительности существует несколько математических моделей подобного двигателя, и согласно их расчетам, для космических кораблей будущего понадобится совсем немного античастиц. Так, семимесячный полет до Марса может сократиться в продолжительности до месяца, за счет 140 нанограммов антипротонов, которые выступят катализатором ядерного деления в реакторе корабля. Благодаря подобным технологиям могут осуществиться и межгалактические перелеты, которые позволят человеку подробно изучить другие звездные системы, и в будущем колонизировать их.
Однако, антивещество, как и многие другие научные открытия, может нести угрозу человечеству. Как известно, ужаснейшая катастрофа, атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки была произведена при помощи двух атомных бомб, общая масса которых составляет 8,6 тонн, а мощность – около 35 килотонн. А вот при столкновении 1 кг вещества и 1 кг антивещества высвобождается энергия равная 42960 килотонн. Самая мощная бомба, когда-либо разработанная человечеством – АН602 или «Царь-бомба» высвободила энергию около 58000 килотонн, но весила 26,5 тонн! Подводя итоги всего вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что технологии и изобретения на основе антиматерии могут привести человечество, как к небывалому прорыву, так и к полному самоуничтожению.
В конце XIX века английским оптиком Артуром Шустером была придумана антиматерия как средство восстановления симметрии между плюсом и минусом (вспомните: электрон, открытый Томсоном в 1897 году, имеет заряд минус, и, чтобы уравновесить этот дисбаланс, Природа, казалось бы, должна была позаботиться о существовании положительно заряженного аналога электрона). Идею надолго забыли, но в конце 20-х годов XX века из желания скрестить квантовую теорию поля с релятивистской теорией Поль Дирак вывел антиматерию уже математически строго. После того как открыли первую частицу антиматерии – позитрон, а потом нашли античастицы у всех известных частиц, ученым стало казаться, что мир исключительно симметричный, а материя и антиматерия имеют одинаковые во всех типах взаимодействия свойства. Но оказалось, что это не совсем так.
1. Неравная смесь частиц и античастиц. Нейтральные странные К0-мезоны занимают промежуточное место между истинно нейтральными частицами, у которых сама частица соответствует своей античастице, например фотоном, и привычными заряженными электронами или протонами, античастицы которых отличаются знаком заряда. В отличие от заряженных частиц К0-мезоны могут превращаться в свои античастицы на лету, не предпринимая для этого особых усилий, поэтому и летят они не как частицы или античастицы, а как их смесь. Это поняли в 1955 году американцы Гелл-Манн и Пайс, и они придумали новый подход для описания этой интересной системы. В частности, на основе своей теории они предсказали существование долгоживущего КL-мезона, который, согласно их выводам, должен вести себя уже как истинно нейтральная частица. Предсказанный КL-мезон был вскоре найден, вот только вопреки начальному предположению Гелл-Манна и Пайса, как выяснилось в тонком эксперименте, выполненном в 1964 году в США, смесь из К0 и анти-К0 оказалась в летящей частице неравной, хотя их доли отличаются ничтожно мало, меньше чем на процент. Это совершенно удивительное свойство, поскольку оно явно нарушает симметрию между материей и антиматерией: КL-мезон, пролетающий на современных ускорителях десятки метров, по дороге наполняется неравной смесью частиц и античастиц.
2. Тяжелые дублеры частиц. Сами странные частицы довольно необычные. В их состав входит s-кварк, чуть более тяжелый, чем u- и d-кварки, из которых строятся протоны и нейтроны. Живут странные частицы очень мало, микросекунды, и в построении материи напрямую не участвуют. Помимо странных частиц, чуть ранее были открыты другие «ненужные» частицы – мюоны (µ), похожие на электроны, только в 200 раз тяжелее. Их видно в детекторах, регистрирующих космический фон, и живут они так же недолго. В 1970-м ученые теоретически показали, что, помимо s-кварка, необходим еще один, более тяжелый – с-кварк. Понадобился он, чтобы объяснить наблюдаемую малость распадов нейтральных К0-мезонов в пару мюонов. Чтобы посчитать вероятность этого распада, необходимо учесть все виртуальные частицы. Если такая частица только одна, u-кварк, подсчет приводит к бесконечности. А в эксперименте мы видим, что распад К0-мезона очень маленький, то есть никакой бесконечности там нет. Решить проблему предложили с помощью нового кварка, который сокращает вклад виртуального u-кварка, внося свою лепту в распад, почти равную по модулю, но с обратным знаком. Такой способ избавления от расходящихся интегралов назвали GIM-механизмом (по первым буквам фамилий авторов идеи: Глэшоу, Илиопулоса и Майяни). Вскоре с-кварк действительно обнаружили. Таким образом, в начале 70-х годов XX века у всех известных частиц, участвующих в построении нашего мира, оказалось по одному тяжелому дублеру. Зачем Природе, которая до этого всегда казалась исключительно прагматичной, понадобилось создавать более тяжелые и, соответственно, нестабильные дублеры электрона и кварков, долго оставалось загадкой. Замечу, что и до сих пор не известно, влияют ли они как-то на нашу жизнь и существуют ли какие-нибудь современные процессы во Вселенной, где их участие жизненно необходимо, но они точно были нужны в далеком прошлом.
3. Несимметричность материи и антиматерии в эволюции Вселенной. Совсем маленькое различие свойств странных и антистранных частиц (да еще проявляющееся только в слабом взаимодействии) приводит к совершенно фантастическому глобальному результату – нашему существованию. Если бы материя и антиматерия были абсолютно идентичны по своим свойствам, то вскоре после Большого Взрыва, в результате которого образовалось одинаковое количество частиц и античастиц, все они полностью аннигилировали, а в живых остались бы только фотоны, из которых строить мир (и нас с вами) было бы довольно проблематично. К этому выводу пришел Андрей Дмитриевич Сахаров в 1967-м спустя три года после открытия американскими физиками нарушения симметрии между странными частицами и античастицами. Сахаров показал, что раз свойства разные, то на ранней стадии эволюции Вселенной после Большого Взрыва небольшая часть частиц выжила (одна на миллиард саннигилировавших частиц и античастиц!). И этого выжившего в грандиозной битве остатка материи хватило, чтобы сделать нас с вами. Замечу, что результаты этой битвы наблюдаются в современной Вселенной: она заполнена огромным количеством образовавшихся в результате аннигиляции фотонов, которые, правда, за долгие годы скитаний по Вселенной сильно остыли и видны только с помощью радиотелескопов. А вот почему материя и антиматерия различаются, поняли спустя еще шесть лет после утверждения Сахарова.
4. Больше дублеров и матрица смешивания. В 1973 году японские физики Кобаяши и Маскава осознали, что, имея лишь по одному дублеру кварков, не получается устроить так, чтобы свойства материи и антиматерии различались, чего им очень хотелось достичь для объяснения результатов эксперимента и идеи Сахарова. И они предложили очень простую идею. Все, что оказалось для этого необходимым, – это добавить еще два новых кварка, то есть потребовать от Природы существования не по одному, а по два дублера у каждого легкого кварка. А с тремя поколениями кварков уже можно получить разные свойства материи и антиматерии. В модели Кобаяши – Маскавы поворот кварков, участвующих в слабых распадах, относительно их собственных массовых состояний описывается матрицей 3x3 (по числу поколений кварков). Если бы поколений было только два, матрица поворота 2x2 содержала бы только один параметр, он был бы действительным, однако для решения нашей задачи нужно какое-нибудь наблюдаемое комплексное число. А в случае трех поколений количество параметров матрицы увеличивается резко с одного до четырех, из которых три – это просто эйлеровы углы поворота. Но также добавляется одна фаза, которая делает эту матрицу не действительной, а комплексной: у нее появляется мнимая часть. Она и ответственна за различие свойств кварков и антикварков.
5. Откуда возникла матрица смешивания. Здесь вступает в игру хиггсовский бозон, дающий массы всем наблюдаемым частицам, включая электроны и кварки. Именно взаимодействие хиггсовского конденсата, который равномерно заполняет собой все пространство, с частицами материи приводит к тому, что у них появляются массы. Удивительно, что хиггсовская частица связана с тремя поколениями кварков несинхронно, со слабым взаимодействием: одно оказывается как бы повернутым относительно другого, как будто хиггсовский бозон и бозоны-переносчики слабого взаимодействия не смогли договориться друг с другом, какие кварки к какому поколению относить. Мы до сих пор не знаем, почему и как эта несинхронность возникает.
6. Направленность времени. Несимметричность мира по отношению к обращению течения времени прекрасно согласуется с нашим повседневным опытом (вдребезги разбитую чашку не склеить; то, что случится завтра, точно не предсказать). Только почему-то почти все законы механики абсолютно инвариантны относительно обращения стрелки времени. Заставив время течь в обратную сторону, мы, казалось, должны получить мир, развивающийся совершенно по тем же законам, то есть чашки должны в равной мере легко разбиваться и собираться в целое, а мы должны одинаково свободно «вспоминать» события будущего и прошлого. Оказывается, что различие свойств антиматерии и материи и здесь играет ключевую роль. Античастицы часто рассматриваются как частицы, летящие в обратном направлении по времени, из будущего в прошлое. Следовательно, тот факт, что свойства антиматерии и материи различаются, говорит нам о том, что в нашем мире, построенном из материи, существует выделенность стрелки времени.
7. Изучение несимметричности материи и антиматерии. Изучению этого явления для третьего поколения кварков в последние 15 лет были посвящены специальные эксперименты в Японии и США. В так называемых B-фабриках разогнанные до огромных скоростей электроны и позитроны, сталкиваясь, рождали B-мезоны, содержащие кварк третьего поколения. Эти эксперименты действительно обнаружили большую разницу в распадах B-мезона и анти-B-мезона и измерили ее с хорошей точностью. А в последние пять лет к усилиям В-фабрик подключился специализированный эксперимент в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере, который позволяет еще больше повысить точность измерения. Зачем же нам нужна высокая точность? С помощью теории Кобаяши – Маскава можно вычислить, какое нарушение симметрии должно наблюдаться для третьего поколения кварков. То, что мы хотим увидеть, – это несоответствие между предсказаниями и экспериментальными данными, что означало бы существование в физике микромира чего-то нового, до сих пор не найденного. Ради того, чтобы это найти, сегодня строится новый эксперимент в Японии, который будет называться «супер-B-фабрика». В нем точность возрастет еще примерно на порядок по сравнению с предыдущими экспериментами, и, возможно, будет найдено что-то новое в несоответствии свойств материи и антиматерии.
10 фактов об антиматерии, которых вы могли не знать
1. Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва. Согласно теории, Большой Взрыв породил материю и антиматерию в равных количествах. Когда они встречаются, происходит взаимное уничтожение, аннигиляция, и остается только чистая энергия. Исходя из этого, мы не должны существовать. Но мы существуем. И насколько знают физики, это потому, что на каждый миллиард пар материи-антиматерии была одна лишняя частица материи. Физики всеми силами пытаются объяснить эту асимметрию.
2. Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете. Небольшие количества антиматерии постоянно проливаются дождем на Землю в виде космических лучей, энергетических частиц из космоса. Эти частицы антивещества достигают нашей атмосферы с уровнем от одной до более сотни на квадратный метр. Ученые также располагают свидительствами того, что антивещество рождается во время грозы. Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон – антивещественный экивалент электрона – примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон. Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго.
3. Людям удалось создать совсем немного антиматерии. Аннигиляция антиматерии и материи обладает потенциалом высвобождения огромного количества энергии. Грамм антиматерии может произвести взрыв размером с ядерную бомбу. Впрочем, люди произвели не так много антиматерии, поэтому бояться нечего. Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии – не больше 2 нанограммов позитронов. Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая. Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.
4. Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии. Для изучения антиматерии вам нужно предотвратить ее аннигиляцию с материей. Ученые нашли несколько способов это осуществить. Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки. Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем. Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли – радиационных поясах Ван Аллена.
5. Антиматерия может падать (в прямом смысле слова). Частицы материи и антиматерии обладают одной массой, но различаются в свойствах вроде электрического заряда и спина. Стандартная модель предсказывает, что гравитация должна одинаково воздействовать на материю и антиматерию, однако это еще предстоит выяснить наверняка. Эксперименты вроде AEGIS, ALPHA и GBAR работают над этим. Наблюдать за гравитационным эффектом на примере антиматерии не так просто, как смотреть на падающее с дерева яблоко. Эти эксперименты требуют удержания антиматерии в ловушке или замедления ее путем охлаждения до температур чуть выше абсолютного нуля. И поскольку гравитация – самая слабая из фундаментальных сил, физики должны использовать нейтральные частицы антиматерии в этих экспериментах, чтобы предотвратить взаимодействие с более мощной силой электричества.
6. Антиматерия изучается в замедлителях частиц. Вы слышали об ускорителях частиц, а о замедлителях частиц слышали? В CERN находится машина под названием Antiproton Decelerator, в кольце которого улавливаются и замедляются антипротоны для изучения их свойств и поведения. В кольцевых ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера частицы получают энергетический толчок каждый раз, когда завершают круг. Замедлители работают противоположным образом: вместо того чтобы разгонять частицы, их толкают в обратную сторону.
7. Нейтрино могут быть своими собственными античастицами. Частица материи и ее антиматериальный партнер переносят противоположные заряды, что позволяет легко их различить. Нейтрино, почти безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с материей, не имеют заряда. Ученые считают, что они могут быть майорановскими частицами, гипотетическим классом частиц, которые являются своими собственными античастицами. Проекты вроде Majorana Demonstrator и EXO-200 направлены на определение того, действительно ли нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдая за поведением так называемого безнейтринного двойного бета-распада. Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, испуская два электрона и два нейтрино. Если нейтрино были бы собственными античастицами, они бы аннигилировали после двойного распада, и ученым осталось бы наблюдать только электроны. Поиск майорановских нейтрино может помочь объяснить, почем существует асимметрия материи-антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть либо тяжелыми, либо легкими. Легкие существуют в наше время, а тяжелые существовали сразу после Большого Взрыва. Тяжелые майорановские нейтрино распались асимметрично, что привело к появлению крошечного количества вещества, которым наполнилась наша Вселенная.
8. Антиматерия используется в медицине. PET, ПЭТ (позитронно-эмиссионная топография) использует позитроны для получения изображений тела в высоком разрешении. Излучающие позитроны радиоактивные изотопы (вроде тех, что мы нашли в бананах) крепятся к химическим веществам вроде глюкозы, которая присутствует в теле. Они вводятся в кровоток, где распадаются естественным путем, испуская позитроны. Те, в свою очередь, встречаются с электронами тела и аннигилируют. Аннигиляция производит гамма-лучи, которые используются для построения изображения. Ученые проекта ACE при CERN изучают антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака. Врачи уже выяснили, что могут направлять на опухоли лучи частиц, испускающие свою энергию только после того, как безопасно пройдут через здоровую ткань. Использование антипротонов добавит дополнительный взрыв энергии. Эта техника была признана эффективной для лечения хомяков, только вот на людях пока не испытывалась.
9. Антиматерия может скрываться в космосе. Один из путей, которым ученые пытаются разрешить проблему асимметрии материи-антиматерии, является поиск антиматерии, оставшейся после Большого Взрыва. Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) – это детектор частиц, который располагается на Международной космической станции и ищет такие частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют путь космических частиц и отделяют материю от антиматерии. Его детекторы должны обнаруживать и идентифицировать такие частицы по мере прохождения. Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия остается чрезвычайно малой из-за гигантского количества энергии, которое требуется для этого процесса. Это означает, что наблюдение хотя бы одного ядрышка антигелия будет мощным доказательством существования гигантского количества антиматерии где-либо еще во Вселенной.
10. Люди на самом деле изучают, как оснастить космический аппарат топливом на антивеществе. Совсем немного антиматерии может произвести огромное количество энергии, что делает ее популярным топливом для футуристических кораблей в научной фантастике. Движение ракеты на антивеществе гипотетически возможно; основным ограничением является сбор достаточного количества антивещества, чтобы это могло осуществиться. Пока не существует технологий для массового производства или сбора антивещества в объемах, необходимых для такого применения. Однако ученые ведут работы над имитацией такого движения и хранения этого самого антивещества. Однажды, если мы найдем способ произвести большое количество антивещества, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям воплотиться в реальности.
Объекты Вселенной – галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы – кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами «оригиналов», а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название «антиматерия».
Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при «соприкосновении» аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно – правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считаных минут.
Согласно теории, Большой взрыв должен был породить одинаковое число частиц и античастиц. Но если вещество и антивещество аннигилируют друг с другом, значит, они должны были единовременно перестать существовать. Почему же Вселенная существует? «Более 60 лет назад теория гласила, что все свойства античастиц совпадают со свойствами обычных частиц в зеркально-отраженном пространстве. Однако в первой половине 60-х было обнаружено, что в некоторых процессах эта симметрия не выполняется. C тех пор было создано немало теоретических моделей, проведены десятки экспериментов для объяснения этого феномена. Сейчас наиболее развиты теории, которые различие в количестве материи и антиматерии связывают с так называемым нарушением CP-симметрии (от слов сharge – «заряд» и рarity – «четность»). Но достоверного ответа на вопрос, почему материи больше, чем антиматерии, пока никто не знает», – поясняет Алексей Жемчугов, доцент Кафедры фундаментальных и прикладных проблем физики микромира Московского физико-технического института в Объединенном институте ядерных исследований.
История антивещества началась с уравнения движения электрона, имевшего решения, в которых он обладал отрицательной энергией. Поскольку физический смысл отрицательной энергии ученые представить не могли, то «придумали» электрон с положительным зарядом, назвав его «позитрон». Он стал первой экспериментально обнаруженной античастицей. Установка, регистрирующая космические лучи, показала, что траектория движения некоторых частиц в магнитном поле похожа на траекторию электрона – только отклонялись они в противоположную сторону. Далее была открыта пара мезон-антимезон, зарегистрированы антипротон и антинейтрон, а затем ученые смогли синтезировать антиводород и ядро антигелия.
Что означают все эти «анти»? Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии – к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).
Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½ (спином называют собственный момент импульса частицы, который характеризует ее вращение, притом что сама частица находится в покое). Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона – минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно. Некоторые частицы, например бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.
Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом «рождение пар». Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители. Изучение антиматерии имеет практическое применение. Дело в том, что аннигиляция вещества и антивещества порождает высокоэнергетические фотоны. Допустим, мы берем банку протонов и антипротонов и начинаем понемногу выпускать их навстречу друг другу по специальной трубке, буквально по одной штуке. При аннигиляции одного килограмма антиматерии выделяется столько же энергии, как и при сжигании 30 миллионов баррелей нефти. Ста сорока нанограммов антипротонов было бы вполне достаточно для полета на Марс. Загвоздка в том, что для получения и удержания антивещества требуется еще больше энергии.
|
