Природная антиматерия

Как уже говорилось, антиматерия в нашей Вселенной не встречается, по крайней мере, в каких-то значительных количествах. Тем не менее природные процессы дают самый простой ее пример, позитрон, зеркало электрона в антимире.

Слово «позитрон» происходит от английского positive – «положительный». Название предложил открывший его американский физик Карл Андерсон. Позитрон имеет электрический заряд +1 и массу, равную массе электрона. Позитрон стал первой открытой античастицей и является античастицей электрона. Электрон, самая легкая электрически заряженная частица, встречается в атомах всей материи, а позитрон, в свою очередь, является необходимой составляющей антиатомов антиматерии. В нашем мире много радиоактивных элементов, ядра их атомов спонтанно выделяют энергию, когда составляющие их части каким-то образом перестраиваются для формирования, например, более стабильных соединений. Атомные ядра некоторых элементов известны как «эмиттеры позитронов». В таком случае мы говорим об радиоактивном распаде или позитронной эмиссии. Позитрон в таком атоме не существует заранее (как собачий лай не существует внутри собаки), его создает высвобождаемая энергия.

Позитроны также возникают в результате процесса, который называется «рождением пар» – в этом случае фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра, образует одновременно электрон и позитрон. Также позитроны способны возникать в процессах рождения электронно-позитронных пар в сильном электрическом поле.

Карл Андерсон открыл позитрон с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, хотя первым высказал предположение о существовании позитрона Поль Дирак. Дирак описал электрон с отрицательным электрическим зарядом и аналогичную частицу с положительным зарядом. Открытие позитрона стало триумфом его теории.

В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия. Дирак считал возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано в дальнейшем. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают.

Андерсон наблюдал космическое излучение и сделал открытие в 1932 году. Он сфотографировал следы (треки) частиц, которые очень напоминали следы электронов, но под действием магнитного поля отклонялись в противоположную сторону по сравнению со следами, оставляемыми электронами. Это свидетельствовало о положительном электрическом заряде обнаруженных частиц. Вскоре после этого открытия, также с помощью камеры Вильсона, были получены фотографии, проливавшие свет на происхождение позитронов: позитроны рождались в парах с обычными электронами. Такие свойства вновь открытой частицы подтвердили теорию электрона Дирака. Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам Дирака, теория которого после открытия позитрона могла быть обобщена на другие частицы, указывали на возможность парной природы всех элементарных частиц. Стали проводиться дальнейшие исследования уже других частиц, они оказались необычайно плодотворными, и в настоящее время парная природа элементарных частиц (частица и античастица) является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.

Позитрон вылетает из атома и живет столько, сколько ему удается избегать встречи с электроном. Поскольку наш мир состоит из атомов, все из которых включают электроны, позитрон вскоре сталкивается с каким-то электроном, и они оба исчезают во вспышке гамма-лучей, которая происходит за пределами видимого нами спектра. Однако есть специальная аппаратура, способная увидеть эти лучи. Например, они используются в медицине при проведении позитронно-эмиссионной томографии (или ПЭТ), о которой мы расскажем ниже. То есть если антиматерия в целом является разрушителем, в случае ее обуздания и управления ею она может парадоксально спасать жизни.

Наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Изучив ионизацию, длину траектории и радиус кривизны, Андерсон пришел к выводу, что обнаруженная им частица имеет массу электрона, но заряжена положительно

Если говорить о больших масштабах, то можно сказать, что природа создает позитроны в самом сердце нашего Солнца. Солнечный свет, который мы видим сегодня, – это частично результат работы позитронов, которые были созданы в центре Солнца примерно 100 000 лет назад и практически сразу же аннигилированы.

Солнце по большей части – это водород, простейший элемент. В центре температура превышает 10 миллионов градусов, атомы водорода распадаются на составляющие части, электроны и протоны, которые вращаются и роятся независимо друг от друга и в беспорядке, протоны время от времени сталкиваются, а после ряда процессов соединяются, в конце концов получается гелий, следующий простейший элемент. Гелий – это пепел от реакции ядерного синтеза, масса у него меньше, чем у протонов, которые использовались для его создания. Потеря массы превращается в энергию, которая в конечном счете является энергией, выходящей в виде солнечного света. Причем здесь позитроны? Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона. При подходящих обстоятельствах протон может измениться в нейтрон и выпустить энергию, часть из которой материализуется как позитрон. Это подобно тому, что происходит в позитронно-эмиссионных аппаратах, используемых в земной медицине.

Позитрон оказывается в центре Солнца, где много электронов, и мгновенно уничтожается, превращаясь в гамма-лучи. Эти лучи пытаются уйти прочь со скоростью света, но им мешают многочисленные заряженные частицы, электроны и протоны, из которых состоит звезда. Эти гамма-лучи получают удары с одной и другой стороны, их снова и снова поглощают электроны; затем они эмитируются с меньшим количеством энергии, чем в предыдущий раз, и этим гамма-лучам требуется сто тысяч лет для достижения поверхности Земли. За это время лучи теряют много энергии и меняются, превращаясь из рентгеновских в ультрафиолетовые и наконец приобретают цвета, видимые нашему глазу. Таким образом получается, что дневной свет – это результат производства антиматерии в центре Солнца и частично ее аннигиляции.

Это не история из прошлого антиматерии, процесс производства позитронов на Солнце идет дальше, и идет именно в мгновение, когда вы читаете эту строку, а аннигиляция происходит быстрее, чем вы успеете дочитать предложение до конца. Гамма-лучи, которые получились минуту назад, уже пробираются наверх из центра звезды, чтобы в конце концов выйти на поверхность и осветить Землю через тысячу столетий.

Как мы увидим дальше, антиматерия в форме позитронов встречается чаще, чем подозревают многие. Она используется в медицине, науке, есть много технологий, в которых она участвует. Она сконцентрирована в лучах, направляемых электрическими и магнитными полями, эти лучи ударяются в материю, в результате получается вспышка энергии, которая воспроизводит в малом масштабе условия, которые имели место во всей Вселенной в первый момент после Большого взрыва. Так что антиматерия еще и позволяет нам узнать, что происходило в самом начале – как шло сотворение мира.