Загадка антивещества

Все, с чем мы соприкасаемся в своей жизни, состоит из материи. Чашка, которую мы держим в руке, состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы, вопреки своему названию («атом» в переводе с греческого означает «неделимый»), — из электронов, протонов и нейтронов. Два последних ученые называют «барионами». Их можно делить дальше, на кварки, а может быть, и еще дальше, но пока на этом остановимся. Все вместе они образуют вещество.

Как знают все наши читатели, у вещества есть антипод — антивещество. При соприкосновении они взаимоуничтожаются с выделением очень большой энергии — аннигилируют. По подсчетам физиков, кусок антивещества размером с кирпич, попав на Землю, может вызвать эффект сродни взрыву водородной бомбы. Во всем остальном антиподы схожи: у антивещества есть масса, на него в полной мере распространяются законы физики, вот только электрический заряд у него противоположен. У антипротона он отрицателен, а у позитрона (антиэлектрона) — положителен. А еще антивещество практически не встречается в окружающей нас действительности.

Поиски антивещества

Или все-таки оно где-то есть? Ничего невозможного в таком допущении нет, живем же мы на свете, хоть нам и нельзя пожать руку своим антиподам. Вполне возможно, что и они тоже где-то живут.

Вероятно, все наблюдаемые на сегодня галактики состоят из обычного вещества. В противном случае их границы были бы зоной практически непрерывной аннигиляции с окружающей материей, ее было бы видно издалека. Земные обсерватории регистрировали бы кванты энергии, образовавшиеся при аннигиляции. Пока этого не происходит.

Свидетельством присутствия во Вселенной заметных количеств антивещества могло бы стать обнаружение где-то в космосе (на Земле, ввиду большой плотности вещества, искать явно бесполезно) ядер антигелия. Два антипротона, два антинейтрона. Составляющие такое ядро античастицы регулярно рождаются при столкновениях высокоэнергетичных частиц в земных ускорителях и естественным путем при бомбардировке вещества космическими лучами. Их обнаружение ни о чем нам не говорит. А вот антигелий может образоваться таким же образом, если в одном месте одновременно родятся четыре составляющие его частицы. Это нельзя назвать совсем невозможным, но такое событие во всей Вселенной случается примерно раз в пятнадцать миллиардов лет, что вполне сопоставимо со временем ее существования.

Поэтому обнаружение антигелия вполне может расцениваться если не как привет от антиподов, то как свидетельство того, что где-то в пучинах космоса плавает кусок антивещества приличных размеров. Вот оно оттуда и прилетело.

Увы, неоднократные попытки поискать антигелий в верхних слоях земной атмосферы или на подходе к ней пока не принесли успеха. Конечно, это тот случай, когда «отсутствие следов пороха на руках ничего не доказывает». Вполне может быть, что лететь было просто очень далеко (порядка миллиардов световых лет), а попасть в небольшой детектор на маленькой планете еще сложнее. И уж точно, если бы детектор был чувствительнее (и дороже), наши шансы на успех были бы выше.

Антизвезды, случись им быть в природе, в ходе термоядерных реакций порождали бы такой же поток антинейтрино, как и обычные звезды — поток их антиподов. Такие же антинейтрино должны образовываться при взрывах антисверхновых. Пока ни то, ни другое не обнаружено, но, надо заметить, что нейтринная астрономия вообще делает первые шаги.

В любом случае пока мы не обладаем достоверной информацией о существовании сколько-нибудь заметных количеств антивещества во Вселенной.

Это плохо и хорошо одновременно. Плохо потому, что, по современным представлениям, в первые мгновения после Большого взрыва образовалось и вещество, и антивещество. Впоследствии они аннигилировали, породив реликтовое космическое излучение. Количество фотонов в нем очень велико, оно примерно в миллиард раз превышает количество барионов (т. е. протонов и нейтронов) во Вселенной. Иными словами, когда-то, в начале времен, вещества во Вселенной оказалось на одну миллиардную долю больше, чем антивещества. Потом все «лишнее» исчезло, аннигилировав, а одна миллиардная доля осталась. Получилось то, что в специальной литературе называется барионной асимметрией.

Для физиков отсутствие равновесия — это проблема, потому что его надо как-то объяснить. По крайней мере, в случае с предметами, которые во всех иных отношениях ведут себя симметрично.

А для нас (включая физиков) это хорошо, поскольку при одинаковых количествах вещества и антивещества произошла бы полная аннигиляция, Вселенная была бы пуста, и задаваться вопросами было бы некому.

Условия Сахарова

Наличие большой космологической проблемы было осознано учеными где-то к середине XX века. Условия, при которых Вселенная становится такой, какой мы ее видим, были сформулированы Андреем Сахаровым в 1967 году и с тех пор являются «общим местом» тематической литературы, по крайней мере, на русском и английском языках. В сильно упрощенном виде они выглядят так.

Во-первых, при каких-то условиях, вероятно, существовавших в ранней Вселенной, законы физики все-таки неодинаково работают для вещества и антивещества.

Во-вторых, при этом может не сохраняться барионное число, т. е. количество барионов после реакции не равно тому, что было до нее.

В-третьих, процесс должен протекать взрывным образом, т. е. быть неравновесным. Это существенно, поскольку в равновесии концентрации веществ стремятся к выравниванию, а нам нужно получить нечто разное.

На этом общепризнанная часть объяснения заканчивается, далее и через полвека властвуют гипотезы. Наиболее авторитетная на данный момент связывает произошедшее с электрослабым взаимодействием. Посмотрим на нее поближе.

Кипящий космос

Для объяснения того, что же все-таки произошло с нашей материей, нам придется напрячь воображение и представить себе, что во Вселенной существует некое поле. О его существовании и свойствах мы пока не знаем ничего, кроме того, что оно связано с распределением вещества и антивещества в пространстве и до некоторой степени похоже на привычную нам температуру, в частности может принимать большие и меньшие значения, до определенного уровня, который можно уподобить температуре кипения.

Первоначально материя во Вселенной находится в перемешанном состоянии. Вокруг очень «горячо» — кавычки здесь можно было бы и опустить, поскольку обычная температура тоже очень высока, но мы-то говорим о ее воображаемом аналоге. Этот аналог «кипит» — значение максимально.

По мере расширения пространства из первоначального «пара» начинают конденсироваться «капли», в которых «попрохладнее». Пока все выглядит совершенно так же, как с водой — если перегретый пар находится в сосуде, объем которого достаточно быстро увеличивается, то происходит адиабатическое охлаждение. Если оно достаточно сильно, то часть воды выпадет в виде жидкости.

Нечто похожее происходит и с материей в космосе. По мере роста объема Вселенной количество и размер «капель» увеличиваются. А вот дальше начинается то, что не имеет аналогий в привычном нам мире.

Условия проникновения в «капли» частиц и античастиц оказываются неодинаковыми, частицам сделать это немножко проще. В результате первоначальное равенство концентраций нарушается, в сконденсировавшейся «жидкости» оказывается немножко больше вещества, а в «кипящей фазе» — его антипода. Совокупное число барионов при этом пока не меняется.

А дальше, в «кипящей фазе», начинают действовать квантовые эффекты взаимодействующих электрослабых полей, которые вроде бы не должны изменять количество барионов, но в действительности выравнивают количество частиц и античастиц. Строго говоря, этот процесс идет и в «каплях» тоже, но там он менее эффективен. Таким образом, общее количество античастиц уменьшается. Это написано коротко и, конечно, очень упрощенно, на самом деле все куда интереснее, но вдаваться в теорию глубоко мы сейчас не станем.

Ключевыми для объяснения ситуации оказываются два эффекта. Квантовая аномалия электрослабых взаимодействий — это наблюденный факт, он обнаружен еще в 1976 году. Разница в вероятности проникновения частиц в зону конденсации — факт расчетный и, следовательно, гипотетический. Само поле, которое «кипит», а затем остывает, пока не обнаружено. При формировании теории предполагалось, что это — поле Хиггса, но после открытия знаменитого бозона выяснилось, что оно тут не при чем. Вполне возможно, что его открытие еще ждет своего часа. А может быть, и нет — и тогда космологам придется изобретать другие объяснения. Вселенная ждала этого пятнадцать миллиардов лет, может подождать и еще.