Тайна отсутствующей антиматерии

Антиматерия лежит в центре одной из самых больших тайн: почему ее так мало во Вселенной? По мнению большинства ученых, в результате Большого взрыва 14 миллиардов лет тому назад материя и антиматерия появились в одинаковом количестве и были идеально уравновешены. Это превращение энергии излучения в частицу и античастицу не является путешествием в один конец. Если в дальнейшем эти противоположности вступают в контакт, то они взаимно уничтожают друг друга, энергия, которая до этого была поймана в ловушку внутри них, высвобождается в виде гамма-лучей. В котле новорожденной Вселенной такие столкновения были очень широко распространены, и новорожденный материал жил недолго. Если в первое мгновение материя и антиматерия вышли из Большого взрыва в одинаковом количестве, то мгновение спустя они должны были уничтожить друг друга.

Исчезновение антиматерии – это пока неразгаданная тайна, но еще важнее кажется другой вопрос: а почему осталась материя? Возможно, дело в некотором их различии, в том, что они не являются идеальными зеркальными образами друг друга.

Мы уже знаем про мелкие различия в мире странных частиц, но базовые электроны, протоны и нейтроны кажутся идеально соответствующими своим аналогам-античастицам. Если различие и есть, мы не можем его измерить. Все в них кажется таким, как предсказывал Дирак: частицы обычной материи и их античастицы являются идеальными двойниками, или аналогами.

Хотя атомы антиводорода являются пока наиболее изученными кластерами антиматерии, теория и опыт подразумевают, что все атомные элементы могут существовать в «анти» форме. В периодической таблице перечислены атомные элементы, которые состоят из электронов, окружающих ядра, содержащие протоны и нейтроны. В антипериодической таблице будут антиэлементы с множеством позитронов, окружающих антиядра, содержащие антипротоны и антинейтроны. Правила квантовой механики, которые объясняют стабильность атомов материи, подразумевают ту же самую стабильность для атомов антиматерии. Знаки электрических зарядов меняются на противоположные, но законы притяжения противоположных зарядов и отталкивания одинаковых зарядов остаются теми же.

Сложные взаимодействия, в результате которых получаются аминокислоты, ДНК и жизнь, в равной степени позволят антиэлементам работать все в анти-ДНК, делая все, даже антижизнь. Химия антиматерии такая же, как химия материи: антипланеты и антиматерия во всех своих формах также реализуемы как более знакомая материя, которая доминирует в известной Вселенной. Антигалактики, состоящие из антизвезд, окруженных антипланетами из антиматерии, ждут ничего не подозревающих астронавтов в дальних концах Вселенной? Можем ли мы быть уверены, что где-то там в пространстве нет огромных сгустков антиматерии?

Земля – это не громадная Вселенная с бескрайними пространствами. Например, водород на Земле встречается редко, но это самый широко распространенный элемент во Вселенной. Звезды типа нашего Солнца по большей части состоят из водорода, они медленно пекут в своей печи зерна более тяжелых элементов, но если вы наугад выберете участок Вселенной диаметром в миллион световых лет, то атомные элементы типа углерода, азота и кислорода, а также железо, серебро и золото, будут скорее всего отсутствовать полностью.

Мы нетипичны с точки зрения большого количества элементов, и то же самое может относиться и к антиматерии. Поэтому одно дело признать, что у нас антиматерии нет, а совсем другое – предполагать, что это так везде, и вся материальная Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней нет. Откуда нам знать, из чего состоит далекая звезда, которую мы видим, как тускло горящую свечку в огромном пространстве космоса? С Земли мы видим только звездный свет, а поскольку у нас нет оснований предполагать, что спектры антиэлементов отличны от спектров элементов, мы не можем отличить звезды от антизвезд, просто глядя на ночное небо.

Астронавты высаживались на Луне, на Марсе садились роботы и зонды, и не произошло никакой аннигиляции, поэтому мы знаем, что ни на Луне, ни на Марсе никакой антиматерии нет. Вся Солнечная система омывается солнечным ветром – потоком субатомных частиц, эмитируемых Солнцем. Если бы Солнце было антизвездой и солнечный ветер состоял из античастиц, то мы улавливали бы гамма-лучи, когда эти античастицы аннигилируют, встречаясь с материей планет. Но мы не видим таких гамма-лучей.

Это также показывает следующее: тот, кто считает, что кометы состоят из антиматерии, не правы. Если бы антикомета прошла сквозь солнечный ветер, то количество излучаемых гамма-лучей было бы огромным, каждый грамм высвобождал бы в результате аннигиляции в два раза больше энергии, чем атомная бомба, сброшенная на Хиросиму. Запущенный зонд с успехом передал образы из кометы Галлея. Если антикометы и антиметеориты существуют, то составляют меньше одной миллиардной доли материи в Солнечной системе. Хотя, как показал «Тунгусский метеорит», в составе кометы (или, например, «мусора» от погибшей кометы) может быть малая доля антиматерии. Но опять же эта версия, как мы уже говорили, не является общепринятой.

Когда взрываются звезды, их обломки и куски выбрасываются в космос, а если их ловят в капкан магнитные руки нашей планеты, они врезаются в верхние слои атмосферы в виде космических лучей. Позитрон был обнаружен в космических лучах, там видели и антипротоны, поэтому может возникнуть искушение думать, что эти античастицы являются остатками антизвезд, которые взорвались где-то далеко от нас. Наоборот, эти позитроны и антипротоны являются «мусором», который сформировался в результате выброса энергии, когда космический луч с высокой энергией, состоящий из обычной материи, ударяет по газу в верхнем слое атмосферы. Если бы взорвалась антизвезда и наполнила космос антиэлементами, то они также присутствовали бы, но пока в космических лучах в атмосфере Земли не появлялось никаких антиэлементов и антиядер. Поиском антиматерии в лучах над атмосферой занимаются специальные спутники, а также аэростат, висящий над Южным полюсом. Однако никакой антиматерии пока замечено не было, даже ничего такого простого, как антигелий, в отличие от огромного количества отдельных позитронов и антипротонов.

А если эти антиэлементы разрушаются по пути? Это возможно, но доказательств нет. В межзвездном пространстве в таком случае появились бы четкие взрывы гамма-лучей в результате аннигиляции позитронов электронами, и аннигиляция антипротонов тоже выдала бы себя. Межзвездное пространство – это почти вакуум, но ни в коем случае не полностью пустое пространство, поэтому если бы антиматерия путешествовала несколько световых лет, то обязательно раньше или позже с чем-то столкнулась бы и была замечена. В дополнение к этому есть миллионы галактик, разбросанных по небесам, некоторые из которых близко подходят друг к другу и расширяются, когда приливные силы притяжения притягивают звезды друг к другу. Если бы эти сталкивающиеся галактики состояли из антизвезд, то в окрестностях на границе между ними наблюдались бы четкие вспышки гамма-лучей, но опять же ничего такого пока замечено не было.

Похоже, что антиматерия создается только на короткое время в результате столкновений, в которых участвует обычная материя, например столкновений космических лучей с атмосферой. На протяжении тридцати лет гамма-лучи, поступающие из центра Млечного пути, сигнализировали, что там имеются позитронные облака. В 2008 году Интеграл, телескоп на спутнике для улавливания гамма-лучей, заметил эти позитроны в районе так называемой рентгеновской двойной звездной системы. Это обычные звезды, которых живьем съедают нейтронные звезды или черные дыры. Газообразный материал умирающей звезды, кружась спиралью идет к каннибалу, становится чрезвычайно горячим – и рождаются пары электронов и позитронов. Если говорить о том, что происходит ближе к дому, то в результате большой вспышки на Солнце в 2002 году появились частицы высоких энергий, которые сталкивались с более медленными частицами в солнечной атмосфере и создавали позитроны. По оценкам, получилось полкилограмма позитронов. Если бы удалось каким-то образом захватить энергию, выделившуюся в результате их последующей аннигиляции, то ее было бы достаточно для обеспечения всех нужд Великобритании в течение двух дней.

Все доказательства указывают на то, что, за исключением недолго существующих античастиц, получающихся, как описано выше, все в рамках нескольких сотен миллионов световых лет состоит из материи. Да, это огромное пространство, но только маленькая часть видимой Вселенной. Все еще остается огромное неисследованное пространство, где может доминировать антиматерия. Могли ли материя и антиматерия разделиться в два независимых царства?

Вселенная – в том виде, в котором мы ее видим сегодня, – это холодные остатки того, что изначально было создано в результате горячего Большого взрыва, а когда предметы охлаждаются, их природа может измениться, например вода замерзает и получаются снежинки. Точно так же, когда Вселенная остывала, могли появиться разделенные каким-то образом регионы материи и антиматерии. Сразу же после Большого взрыва новорожденная Вселенная могла представлять собой кипящую энергию, материя и антиматерия непрерывно создавались и уничтожались. Вселенная старела и охлаждалась, пока ее температура не стала недостаточно горячей для замены взаимно уничтожающих друг друга материи и антиматерии новыми. В соответствии с природными законами вероятности и случайности, должны были получиться регионы с небольшим излишком антиматерии. Вселенная охлаждалась дальше, появлялись звезды и элементы по мере того, как базовые частицы прикреплялись друг к другу в регионах, где доминировала материя, а антизвезды должны были появляться там, где доминировала антиматерия.

Такая возможность была, но большинство моделей Вселенной ее отрицают. По общему мнению, вся видимая Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней нет. В среднем в каждых пяти кубических метрах открытого космоса содержится один протон, ни одного антипротона и 10 миллиардов квантов радиации. Все, что мы знаем о ранней Вселенной, в теории, из наблюдений и результатов экспериментов в Большом электрон-позитронном коллайдере, заставляет предположить, что, когда Вселенная еще была горячей сразу же после Большого взрыва, эти числа были другими: 10 миллиардов квантов радиации, 10 миллиардов антипротонов и 10 миллиардов и 1 протон. Это значит, что после сотворения мира одним из первых событий была Великая Аннигиляция и в результате нее сегодняшняя Вселенная, в которой доминирует материя, состоит из этого одного выжившего из десяти миллиардов протонов. Все в космосе сегодня – это остатки грандиозного акта созидания.

Если это так, то что-то должно было случиться еще раньше, чтобы склонить чашу весов в пользу протонов, а не антипротонов на уровне одной миллиардной. Что-то должно отличаться в обычной материи и антиматерии. Чтобы выяснить, что это могло быть и как изначально получился дисбаланс между материей и антиматерией, нам нужно вначале понять, как материя в том виде, в котором мы ее знаем, появилась в результате Большого взрыва.

Материя, существующая на Земле, не является типичной для Вселенной в целом, но материя во Вселенной также изменилась за многие миллиарды лет. На Земле материя состоит из атомов: электроны пойманы в ловушку в холоде электрической силой атомного ядра. По мере повышения температуры атомы врезаются друг в друга еще более яростно, и их электроны отсоединяются. При температуре свыше десяти тысяч градусов атомы больше не могут оставаться единым целым. Электроны высвобождаются и свободно текут в газе из электрически заряженных частиц, известном как плазма. Именно это происходит в центре Солнца, где температура превышает миллион градусов, а водород полностью разбит на независимые газы электронов и протонов. Мы можем экспериментировать с пучками электронов и протонов и посмотреть, как они себя ведут, врезаясь друг в друга при энергиях, типичных для такой температуры. Это подтверждает, что Солнце в самом деле является огромной машиной ядерного синтеза.

Эксперименты показывают, что при еще более высоких температурах материя приобретает и другие новые формы. Насколько мы можем судить, электроны остаются одними и теми же при всех температурах, а протоны и нейтроны – нет. В холодных условиях Земли и даже в горячем центре Солнца протоны и нейтроны – это сгустки кварков, которые удерживаются вместе глюонами. При более высоких температурах на том уровне, который можно изучать в самых мощных ускорителях, имеющихся в настоящее время, кажется, что ядерная материя расплавляется: атомы превращаются в электрическую плазму при 10 000 градусах, а протоны и нейтроны превращаются в «кварково-глюоновую плазму» при температуре около триллиона градусов.

Сегодня нигде во Вселенной такой температуры нет, за исключением столкновений частиц в ускорителях с высокой энергией. Даже 50 лет назад в «Беватроне» можно было создать условия с более высокой температурой, чем на Солнце. Сегодня мы можем моделировать условия, которые превалировали сразу же после Большого взрыва. Именно в ускорителях антиматерия в форме антипротонов и позитронов стала идеальным инструментом. Когда протоны ударяются в цели из материи, часть их энергии теряется и остается только небольшое количество для создания новых частиц. Однако если вы ускорите движение античастиц примерно до скорости света, а потом они будут сталкиваться с пучком идущих на такой же высокой скорости их материальных двойников, произойдет полная аннигиляция: вся энергия, ранее пойманная в ловушку в их отдельных E = mc², высвобождается.

Эксперименты, проводившиеся в Большом электрон-позитронном коллайдере, о котором мы рассказывали выше, подтвердили, что Большой взрыв породил электроны и позитроны, кварки и антикварки и множество фотонов и глюонов. Это происходило на заре Вселенной, когда температура была на миллиарды градусов выше, чем сегодня Солнце. По мере старения и охлаждения Вселенной эти базовые частицы соединялись вместе, строя все более и более сложные структуры. Кварки склеивались вместе по три, создавая постоянные структуры, которые мы называем протонами и нейтронами, а шары плазмы, которые они формировали, начали готовить «зерна» элементов. Когда температура еще больше снизилась, примерно до того, что мы называем комнатной, эти ядерные зерна смогли зацепиться за проходящие мимо электроны и сформировали атомы, химию, биологию и жизнь.

Мы хорошо понимаем, как материя в том виде, в котором мы ее знаем сегодня, сформировалась и развивалась на протяжении 14 миллиардов лет после Большого взрыва. Ирония заключается в том, что мы многое об этом узнали, используя антипротоны и позитроны как инструменты, помогающие нам вернуться назад во времени и посмотреть, как сотворялась материя. Если бы в космосе антипротоны и позитроны имелись в большом количестве, они легко могли бы сформировать антизвезды, космические кухни которых приготовили бы ингредиенты для формирования антиэлементов. Посыл состоит в том, что материя и антиматерия формировались соответствующими друг другу парами. Тем не менее выжить смогла только материя. Где-то в первые моменты существования Вселенной, ранее, чем в миллиардную долю секунды, возник дисбаланс между материей и антиматерией.