Учёным из коллаборации ALPHA, в состав которой входят 50 физиков из 17 институтов, удалось впервые наблюдать спектральные линии атома антиводорода.
CPT (Charge-Parity-Time) симметрия — одно из фундаментальных свойств современных физических теорий. Это симметрия относительно одновременного изменения заряда, замены «право» на «лево» и обращения времени. Согласно ей частицы и античастицы (позитроны и электроны, протоны и антипротоны) почти не отличаются друг от друга: любой процесс в веществе, отраженный в зеркале и запущенный в обратном порядке будет протекать в точности так же, как и тот же процесс в антивеществе. Соответственно, многие свойства вещества и антивещества также будут совпадать, в особенности, их энергетические спектры.
Отклонения в свойствах будет указывать на новую физику за пределами Стандартной модели, которую пытаются отыскать учёные. Например, подобные расхождения предсказываются в некоторых вариантах теории струн.
Антиводород — один из объектов, на которых проходит проверка CPT-симметрии. Для его обычного аналога — водорода — многие свойства хорошо изучены. К примеру, минимальная частота фотона, требующаяся для того, чтобы электрон водорода перешел из основного состояния в первое возбужденное (1S-2S), измерена с точностью лучшей, чем одна часть в ста триллионах (10^-14). Сравнение величин на таком уровне сильно ограничит любые возможные нарушения CPT-симметрии, предсказываемые экзотическими теориями.
До сих пор спектр антивещества никто не наблюдал.
Проблема в том, что любой контакт антивещества с обычной материей приводит к немедленной аннигиляции первого.
Антиматерию обычно содержат в специальных ловушках, где роль барьера играет электромагнитное поле. При добавлении глубочайшего вакуума получаем среду, в которой античастицы можно держать очень долгое, по меркам физики, время — до нескольких тысяч секунд.
Использованная в описываемом опыте установка построена на основе известной среди специалистов ловушки Пеннинга. Пучки позитронов и антипротонов подаются в реакторную камеру с разных сторон, там смешиваются, и некоторая часть античастиц рекомбинирует, превращаясь в полноценные атомы антиводорода.
Типичный состав ингредиентов, используемых для приготовления смеси, — 90 тысяч антипротонов и 1,6 миллиона позитронов. Из них за одну секунду получается порядка 25 тысяч атомов антиводорода — это много меньше самой маленькой капли воды, которую можно себе представить. Подавляющее большинство имеет слишком высокую кинетическую энергию, поэтому вылетает из ловушки и аннигилирует, как сказано выше. Ловушка может удержать только атомы, энергия которых соответствует температуре менее 0,54 К. Таковых за один раз набирается всего около двух десятков. Поскольку этого все-таки маловато, смешивание повторяют несколько раз.
Получившееся антивещество облучается и поглощает волны определенных частот. Для получения спектра нужно их измерить. Для подробного ознакомления с экспериментом и полученными результатами можно ознакомиться в статье, опубликованной в Nature.
Так что же такого особенного в антивеществе?
Антивещество и вещество образовывались одновременно и из одного источника. В результате одного много, а другого практически нет. Объяснение этому и ищут физики во всём мире.
Все, с чем мы соприкасаемся в своей жизни, состоит из материи. Возьмите обычную ложку. Она состоит из молекул, молекулы — из атомов, атомы, вопреки своему названию, — из электронов, протонов и нейтронов. Два последних называются барионами. Их можно делить дальше, на кварки, а может быть, и ещё дальше. Всё вместе — это вещество.
При соприкосновении вещества с антивеществом они аннигилируют. По подсчётам физиков, кусок антивещества размером с кирпич, попав на Землю, может вызвать эффект сродни взрыву водородной бомбы. Во всём остальном разницы нет: 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. Но главная проблема в том, что антивещество практически не встречается в окружающей нас действительности.
Считается, что все наблюдаемые на сегодня галактики состоят из обычного вещества. В противном случае их границы были бы зоной практически непрерывной аннигиляции с окружающей материей. 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 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 чём 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 её существования.
Поэтому обнаружение антигелия вполне может расцениваться как свидетельство того, что где-то в космосе покачивается на гравитационных волнах кусок антивещества приличных размеров.
Увы, неоднократные попытки найти антигелий в верхних слоях земной атмосферы или на подходе к ней пока не принесли успеха. Вполне может быть, что лететь было просто очень далеко (порядка миллиардов световых лет), да и вообще, космос бесконечен (во всяком случае, в нашем понимании), а попасть в небольшой детектор на маленькой планете на задворках одной из сотен миллиардов галактик, ну как-то непросто.
Антинейтрино
Антизвёзды, если бы существовали, в ходе термоядерных реакций порождали бы такой же поток антинейтрино, как и обычные звёзды поток нейтрино. Такие же антинейтрино должны образовываться при взрывах антисверхновых. Пока ни то, ни другое не обнаружено, но, здесь следует понимать, что нейтринная астрономия вообще делает самые первые шаги.
По современным представлениям, в первые мгновения после Большого взрыва образовалось и вещество, и антивещество. Впоследствии они аннигилировали, породив реликтовое излучение. Количество фотонов в нём очень велико, оно примерно в миллиард раз превышает количество барионов. 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.
Физики не любят отсутствие равновесия, потому что его надо как-то объяснить.
При этом, при одинаковых количествах вещества и антивещества после Большого взрыва произошла бы полная аннигиляция, Вселенная была бы пуста. И возможно, есть и такие вселенные в одном из параллельных миров.
Условия Сахарова
Наличие большой космологической проблемы было осознано учеными где-то к середине XX века. Условия, при которых Вселенная становится такой, какой мы её видим, были сформулированы Андреем Сахаровым в 1967 году. Постараемся упростить.
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 неё. А как же закон сохранения энергии? Скажем только, что всё с ним хорошо.
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 разницу.
На этом общепризнанная часть объяснения заканчивается, далее и до сих пор всё во власти различных гипотез.
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 объёма 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» — антивещества. 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 идёт и в «каплях» тоже, но там он менее эффективен. Таким образом, общее количество античастиц уменьшается. Всё много интереснее и мы советуем всем желающим ознакомиться с работами Сахарова и последующими гипотезами, особенно с гипотезой, которая связывает всё вышеописанное именно с электрослабым взаимодействием.
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.