XXII. На север через юг

На нашей карте северное полушарие соответствует веществу, а южное – антивеществу. До сих пор наш путь пролегал преимущественно через северное полушарие, а юг нам казался очень похожим на север, если не идентичным ему. Или, быть может, мы путешествуем по южному полушарию, а не по северному? Можем ли мы вообще как-то их различить? Имеет ли значение разница между ними или мы выбрали что-то одно ради удобства? Теперь, когда в нашем распоряжении есть самолет, мы можем взглянуть на мир, проносящийся под нами, с высоты 10 000 метров.

В некотором смысле, и очень часто, эта разница вообще не важна. Согласно стандартной модели физики частиц, сила электромагнитного взаимодействия между электроном и протоном точно такая же, как электромагнитная сила между их антипартнерами, то есть позитроном и антипротоном. Итак, если бы половина мира была сделана из вещества, а вторая – из антивещества, то смогли бы мы что-то заметить, если бы вдруг вся материя оказалась замененной на антиматерию, и наоборот (на краткий миг мы бы, конечно, это очень даже заметили, прежде чем оказались уничтоженными во всплеске фотонов – но речь идет о принципиальной возможности такой замены)? Если пользоваться результатами измерений электромагнитной силы, или исследовать сильные взаимодействия, или гравитацию, то о такой подмене мы никогда не узнаем.

Такая ситуация похожа на головоломку, которая возникала у нас с четностью при попытках объяснить нашим космическим инопланетным друзьям разницу между левым и правым. Вот и теперь у нас возникли бы очень похожие проблемы, попытайся мы выяснить, состоят ли они из вещества или антивещества. Это важный вопрос, который необходимо решить, прежде чем вообще затевать дипломатические отношения. Поскольку вещество и антивещество аннигилируют, в случае ошибки любой дипломатический визит обернулся бы неминуемой катастрофой.

Процедура замены всех частиц на их античастицы и наоборот называется зарядовым сопряжением. Мы видели, что слабое взаимодействие неинвариантно относительно схожей симметрии – лево-правой симметрии четности, – потому что оно влияет только на левосторонние частицы или правосторонние античастицы. Сказанное означает, что слабое взаимодействие нарушает и симметрию зарядового сопряжения, потому что если мы совершим операцию зарядового сопряжения для левоориентированного электрона, то мы получим левоориентированный антиэлектрон. Первый испытывает влияние слабого взаимодействия, а второй – нет. Другими словами, то население южного полушария, которое не признает слабое взаимодействие, боится летать на самолетах. Однако если мы одновременно проведем преобразование зарядового сопряжения и зеркального отражения, то все будет хорошо. После процедуры зарядового сопряжения левоориентированный электрон (который подвержен влиянию слабого взаимодействия) становится левоориентированным позитроном (который уже не чувствует слабого взаимодействия), но потом, после процедуры зеркального отражения, он становится правоориентированным позитроном, который снова ощущает слабое взаимодействие на себе.

Вернемся теперь к дискуссии о четности. Попытка связаться с далеким комическим пришельцем с целью определить, где у него левая, а где правая сторона, сулит некоторые сложности. Действительно, если инопланетянин окажется сделанным из антивещества, а не из вещества, то мы наверняка получим неправильный ответ. Эксперимент коллеги Ву теперь не сработает, потому что если инопланетяне состоят из антивещества, магнитное поле будет ориентировано в противоположном направлении, так что возможны две конфигурации, приводящие к одному и тому же результату: либо наши собеседники состоят из вещества и тогда мы используем одно и то же определение «сторонности», либо они сделаны из антивещества и тогда их определение левого и правого направлений будет противоположно нашему. Эксперимент Ву не позволяет различить эти два сценария.

И снова слабое взаимодействие приходит к нам на выручку. Мы можем поставить количественный эксперимент, чтобы определить, насколько безопасна может быть встреча с инопланетным гостем. Дело в том, что слабое взаимодействие нарушает комбинированную симметрию зарядового сопряжения и четности очень тонким образом, тесно связанным с тем фактом, что у нас имеются три поколения вещества. К тому же слабое взаимодействие соединяет штрих-объекты (аэропорты), а не сами массивные кварки (города).

Мы должны количественно оценить связь между аэропортами и городами – между штрихованными и нештрихованными версиями кварков. Мы сделаем это с помощью матрицы – массива чисел, который будет кодировать, как много нижних, странных и прелестных кварков смешиваются в каждом штрих-нижнем, штрих-странном и штрих-прелестном состояниях. Такая матрица точно укажет, насколько велика вероятность того, что пассажир, приземлившийся в штрих-Нижнем аэропорту, отправится в города Нижний, Странный и Прелестный. Для каждой из этих возможностей в матрице будет свое число.

Наличие такой матрицы смешивания позволяет ввести вероятность нарушения комбинированной симметрии зарядового сопряжения и зеркального отражения. А это как раз то, что нам нужно, чтобы общаться с нашими космическими инопланетными друзьями и быть уверенными, что мы договоримся о понятиях материи и антиматерии, левого и правого.

Такая возможность возникает в следующем случае. Матрица может содержать член, который влияет на фазу квантового состояния кварков. Вспомните, когда мы готовились к путешествию, мы обсуждали, что фаза волны – это один из этапов, которые она проходит в процессе колебания, положение маленькой фейнмановской стрелки. Сама фаза физически не измерима, но различие в фазах измеримо. Вот почему нарушение симметрии зарядовой сопряженности и четности – эффект тонкий. Матрица позволяет смешивать различные ароматы кварков, и когда они связаны вместе в адронах, то это позволит смешать частицы и античастицы.

Рассмотрим пример. Пусть у нас есть адрон («нейтральный каон», один из многих адронов, которые мы видели из окна поезда, проезжая по острову Адрон), который состоит из нижнего кварка и странного антикварка. Поскольку заряд нижнего кварка есть «—1/3», а заряд странного кварка есть «+1/3», то суммарный заряд адрона равен нулю. Античастица этого адрона тоже имеет нулевой заряд, но сделана из других частиц: из нижнего антикварка и странного кварка. Когда кварки обмениваются W-бозоном, который тоже включен в матрицу смешивания, то нейтральный каон может преобразоваться в античастицу и обратно тайком, осциллируя при своем движении в космическом пространстве, становясь то частицей, то античастицей.

Пока все это выглядит странновато, хотя само по себе не является нарушением комбинированной симметрии. На самом деле, для каона существует два способа преобразования между частицей и античастицей, потому что есть два способа обмена W-бозонами. Окончательный результат будет суммой обоих вариантов. Фазовый член в матрице окажет разное влияние на каждый из этих вариантов. Измеримой величиной будет разность фаз этих двух вариантов, и она может быть измерена, если будут точно зарегистрированы частицы, являющиеся продуктами распада каона. Соответствующее измерение было проведено. Оказалось, что разность фаз будет разная в зависимости от того, преобразуется ли частица в античастицу или наоборот, античастица в частицу. Вот здесь-то и происходит нарушение комбинированной симметрии. Мало того, это возможно не только в стандартной модели, это происходит в реальных экспериментах. Это небольшой, но очень существенный эффект.

Разговор с космическим пришельцем был бы долгий. Надо было бы объяснить ему, какие специальные виды адронов нужны, как их сделать и какие их свойства измерить. В конце концов, думаю, мы смогли бы все это утрясти и тогда уже точно поняли бы, сделаны ли они из вещества или антивещества, и слева ли у них наше лево, и справа ли – право.

Достаточно внимательно проследив все воздушные линии на острове Кварков, мы обнаружили, что природа не уважает симметрию между веществом и антивеществом, или между правым и левым, или даже одновременной комбинацией этих двух симметрий. Между физикой в северном полушарии и южном полушарии существует реальная разница.

В этой идее есть несколько странностей. Во-первых, все эти симметрии нарушает только слабое взаимодействие. С чего бы это? Казалось бы, если природа разрешила слабому взаимодействию нарушать симметрию, чего проще разрешить и сильному взаимодействию делать то же самое? Однако это не так. Тот факт, что какое-то взаимодействие нарушает симметрию в природе, логично требует, чтобы эта симметрия нарушалась и в других взаимодействиях, а этого не происходит, и в этом кроется загадка. Такая ситуация – возможный намек на то, что может происходить на дальнем востоке нашей карты.

Во-вторых, комбинированная симметрия может быть нарушена только тогда, когда в обсуждаемой нами матрице будут присутствовать три или больше поколений частиц. Двух поколений недостаточно. Природа, по-видимому, обладает минимальным набором поколений частиц, чтобы внести разницу между правым и левым, между веществом и антивеществом. Эти дополнительные кварки и лептоны должны же для чего-то существовать! Тем не менее, в стандартной модели это выглядит простым совпадением. Быть может, это еще один ключ к более полной теории, которая находится где-то далеко на востоке, где все очевидно и необходимо?

Наконец, очевидно, что Вселенная вокруг нас не обладает симметрией вещества и антивещества, так же, как на реальном земном шаре южное полушарие отличается от северного. Во Вселенной гораздо больше вещества, чем антивещества.

Нарушение симметрии в стандартной модели – это очень малый эффект. Но он приводит к очень большому дисбалансу вещества и антивещества. Более того, никто не знает, как такое происходит. Быть может, это еще один ключ к тайнам далеких восточных земель.