“Зачем среди ночной поры встречаются антимиры?” Андрей Вознесенский |
В теории Большого взрыва есть проблемы. Как отмечалось выше, в первые мгновения после Большого взрыва, в период Великого объединения, у всех частиц нет масс, и характер их взаимодействий между собой одинаков. В этот момент Вселенная была симметричной: число частиц и античастиц было абсолютно одинаковым. Однако мы живём в материальном мире, состоящем из вещества. Почему?
Является ли типичным для Вселенной
то состояние вещества, которое существует на
нашей планете и в её окрестностях? “Наши” атомы
состоят из нуклонов – протонов, заряженных
положительно, нейтральных частиц – нейтронов,
упакованных в ядра, и отрицательных электронов,
расположенных на внешних оболочках вокруг ядра.
Вещества из антиатомов вблизи нас – нет.
Однако, сомнение в исключительности
нашего материального мира зародились после
предсказания англичанина П. Дирака о возможности
существования электрона с положительным
зарядом. Такая частица – позитрон –
действительно был открыт в 1932 г. в экспериментах К. Андерсона
с космическими лучами в камере Вильсона. За это
открытие К. Андерсон получил Нобелевскую
премию.
До К. Андерсона позитроны видел в
камере Вильсона Д. Скобельцын в конце 30-х. Но он не
опубликовал этих результатов. Почему? Может из-за
того, что треки позитронов и электронов в
магнитном поле очень похожи? Ведь эти частицы
отличаются только электрическим зарядом…
Надо отметить, что изучение космических
лучей в середине ХХ века сопровождалось
фейерверком открытий новых элементарных частиц.
В 1936 г. были открыты мюон – мю-мезон (-) и его
античастица -
+,
а в 1947 г. – отрицательный и положительный пионы (
+,
-).
Затем, уже на ускорителях, в 1955 г. и 1956 г., были
обнаружены отрицательные “кирпичики” ядра –
антипротон и антинейтрон. Ну, а сейчас мы знаем,
что практически у всех известных частиц есть их
античастицы.
Нобелевскому лауреату – П. Дираку принадлежат
слова о том, что и Земля, и Солнечная система,
преимущественно населённая отрицательными
электронами и положительными протонами, скорее
случайность, а не закономерность во Вселенной.
Возможно, другие звёзды и галактики состоят из
антиматерии. Поэтому обнаружение античастиц в
космических лучах стало популярной, если не
навязчивой идеей среди космиков.
Вместе с тем, из господствовавших до
середины 60-х годов представлений в физике
элементарных частиц об эквивалентности ядерных
взаимодействий между нуклонами (протонами и
нейтронами) и антинуклонами (антипротонами и
антинейтронами) следует существование ядер из
антинуклонов – антиядер – кирпичиков, из
которых состоит антивещество.
Вещество и антивещество не могут существовать
вместе – они аннигилируют. Взаимодействие
электронов и позитронов приводит к образованию
гамма-квантов, а нуклонов и антинуклонов – к
образованию нейтральных пионов (0). Эти частицы
нестабильны и распадаются на гамма-кванты с
довольно значительной энергией – более 70 МэВ.
Так существует ли антивещество во
Вселенной? Если – нет, то почему? Почему исчезла
симметрия мира? Безусловно, это исключительно
актуальные вопросы астрофизики.
Поиски античастиц в космических лучах
– это способ доказать присутствие антивещества
во Вселенной. В течение многих лет попытки найти
их были безуспешными. Вопрос об антимирах
оставался открытым. К тому же, в 1967 г. А. Сахаров и В. Кузьмин в
1970 г. публикуют работы, действительно ставившие
под сомнение саму возможность наблюдения
антивещества в современной Вселенной.
Для пояснений вновь необходимо
вернуться к Большому взрыву.
На самых начальных стадиях эволюции
Вселенной количество вещества и антивещества,
или барионов и антибарионов, было равным. Затем,
во время начала сверхбыстрого расширения
Вселенной, когда она вышла из состояния
теплового равновесия, возник совсем небольшой,
оцениваемый в 10-9-10-10 дисбаланс между
веществом и антивеществом в пользу вещества –
Вселенная приобрела так называемый барионный
заряд.
Возникновение барионного заряда
Вселенной – бариогенеза – требовало, по
Сахарову, немалого: ограничения времени жизни
протона (нестабильности!), считавшейся одной из
долгоживущих частиц. Кроме того, в теории
накладывались особые условия, связанные с
симметрией частиц (СР-инвариантность).
Свидетельства в пользу симметрии частиц нашли
своё подтверждение в экспериментах на К-мезонах.
Что же касается нестабильности протона, скорее
его стабильности, то следует заметить, что в
настоящее время она оценивается никак не меньше,
чем 1032 лет, что в 1022 раз превышает
возраст Вселенной!!
Вслед за моментом появления
крохотного дисбаланса всё остальное вещество и
антивещество исчезло – оно аннигилировало друг
с другом, а тот первичный остаток и стал исходным
материалом для современной Вселенной. Тепловое
равновесие Вселенной восстановилось, но
асимметрия вещества и антивещества осталась.
Поэтому мы живём в мире, состоящем из вещества.
Справедливости ради надо отметить, что
существует и другая точка зрения на эту проблему,
а именно: Вселенная была асимметричной по
отношению к частицам и античастицам с самого
начала - с исходного момента Большого взрыва. Но
вернемся к экспериментам…
Поиски космических античастиц
продолжались. Удача улыбнулась
Э. Богомолову из Ленинградского
Физико-технического института в 1969-1971 гг.
Используя магнитный спектрометр, он в ходе
стратосферных полётов на аэростатах
зарегистрировал первые антипротоны.
Какой информацией об античастицах из
космоса мы обладаем сейчас?
![]() Рис. 10.1. Энергетические спектры антипротонов по данным разных экспериментов (верхняя панель). Здесь же показан ожидаемый спектр антипротонов по измерениям с помощью “Памелы” после трёх лет наблюдений. Точечная кривая – модель аннигиляции суперсимметричных нейтралино. На нижней панели показаны энергетические зависимости отношения потока позитронов (е+) к суммарному потоку электронов и позитронов (е++е-). Избыток позитронов при энергиях >10 Гэв может свидетельствовать в пользу существования тёмной материи. |
![]() |
Результаты можно видеть на
рис.10.1. Эксперименты по измерению античастиц
проводились до сих пор лишь на аэростатах, на
высотах около 40 км, в течение времени не более
суток. Этим объясняется небольшая статистика в
области больших энергий. Основной вывод, который
следует из всех осуществлённых экспериментов,
это то, что наблюдаемые антипротоны и позитроны
являются вторичными продуктами взаимодействия
космических лучей с межзвёздной средой и с
земной атмосферой. Действительно, антипротоны и
позитроны могут появиться в результате
взаимодействия “обычных” космических лучей с
веществом межзвёздной среды. Поэтому факт их
регистрации в космосе ещё не является прямым
доказательством существования антиматерии.
Могут ли существовать в природе частицы в
первозданном виде, т.е. достигшие Солнечной
системы и окрестностей Земли, не испытав
взаимодействий с межзвёздной средой? Это -
большой вопрос для физики космических лучей и,
как мы увидим далее, на него пока нет ответа…
Каков же итог наблюдений?
Вот он: как на Земле, так и в ближнем космическом
пространстве отсутствует сколь-нибудь заметное
количество антивещества. Позитроны
наблюдаются, но их присутствие вполне можно
объяснить столкновением других частиц. То же
самое применимо к антипротонам – они появляются
в результате взаимодействия первичных
космических лучей либо с межзвёздной средой,
либо с атмосферой. Но этот вывод справедлив лишь
до определённых энергий. Что будет в области
больших энергий, мы не знаем. Будущие
исследования позитронов и антипротонов при
высоких энергиях (более ~10 ГэВ) действительно
могут иметь важное значение. Потому, что именно в
этой области энергий может наблюдаться
существенный избыток этих античастиц из-за
присутствия WIMP’ов, – частиц тёмной материи.
Уже упоминалось, что WIMP’ами могут быть
парные нейтралино. При их аннигиляции и
возникают антипротоны и позитроны. Поэтому
измерение позитронов и антипротонов в области
высоких энергий может оказаться ключом к
разгадке природы тёмной материи.
Интересно заметить, что ещё одним
мощным источником позитронов в нашей Галактике
может быть чёрная дыра, расположенная в её
центре. Действительно, космическая
гамма-обсерватория CGRO зарегистрировала поток
излучения – гамма-квантов – из центра нашей
Галактики (рис. 10.2), который может эмитироваться в
результате аннигиляции позитронов и электронов.
Возможно, существует дополнительный поток
античастиц в результате экзотического процесса
аннигиляции суперсимметричных нейтралино, но,
чтобы это доказать, нужны дальнейшие измерения в
области высоких энергий.
Если всё же предположить, что во
Вселенной существуют протяжённые области
антивещества, то они не могут быть расположены
ближе, чем на расстояниях ~10 мегапарсек. Если бы
антивещество находилось ближе, то мы должны были
бы наблюдать значительный поток гамма-излучения,
возникающий в результате аннигиляции вещества и
антивещества. Однако, такого излучения – нет. С
другой стороны, если вещество и антивещество
отделены друг от друга во Вселенной, следовало бы
ожидать существование неоднородностей в спектре
реликтового излучения (см. рис.7.3). А оценка таких
“пустот” во Вселенной из неоднородностей
спектра реликтового излучения приводит к их
размерам до 15 мегапарсек, что делает картину о
разделении вещества и антивещества
малореалистичной.
![]() Рис. 10.3. В будущий эксперимент AMS-02 на Международной космической станции входит ряд сложнейших приборов и сверхпроводящий криогенный магнит. Их сочетание позволит не только измерить с большой точностью частицы различных масс и энергий, но и, возможно, найти следы антивещества во Вселенной – антипротонов и антигелия. Наличие магнита позволяет сепарировать частицы по заряду: так, например, для электронов и позитронов траектории будут искривлены в разные стороны, что делает возможным разделение сигналов от них в “позиционно-чувствительном” детекторе-трекере. Другие детекторы обеспечивают разделение частиц по массам, энергиям и скоростям. |
Тем не менее – это всё лишь
модельные предположения. Нужны более точные
эксперименты, чтобы доказать отсутствие
антивещества во Вселенной. Или присутствие?
Наверное, последнее предположение пока нельзя
полностью исключить.
Основной недостаток аэростатных
экспериментов в их малой продолжительности, что
не даёт возможности экспериментаторам
продвинуться в область высоких энергий. Выход –
в космических экспериментах по поиску
антивещества. Спутники позволят осуществить
более длительные эксперименты и, что очень важно,
– выйти за пределы атмосферы, т.е. избавиться от
компоненты антивещества, вызванной
взаимодействием космических лучей с
атмосферными ядрами.
Однозначным свидетельством в пользу
существования антивещества во Вселенной могло
бы явиться наблюдение антигелия в космических
лучах. Антигелий и другие антиядра могут
возникать в результате термоядерных реакций в
антизвёздах, – аналогично тем, что протекают в
обычных звёздах. Кроме того, антигелий мог
остаться после Большого взрыва – на этот счёт
есть теоретические расчёты.
Сейчас готовятся к реализации два
космических эксперимента, направленных на
поиски антивещества в космическом пространстве:
PAMELA и AMS-02. В основе обоих – магнитные
спектрометры, позволяющие селектировать частицы
по знаку их заряда. Если в PAMELA используется
постоянный магнит, то в AMS-02 –
сверхпроводящий со значительно большей
величиной магнитной индукции (рис.10.3). В этих
сложных приборах используются различные
детекторы ядерных излучений, позволяющие
разделять частицы по массам, скоростям и
энергиям. Возможности спектрометра PAMELA в части регистрации антипротонов,
позитронов и электронов показаны на рис.10.1. По
сравнению с экспериментом PAMELA, AMS-02 будет иметь
ещё большую светосилу, что позволит в ещё дальше
продвинуться по шкале энергий и снизить порог
чувствительности по регистрации антигелия.
Пройдёт совсем немного времени и,
возможно, мы станем свидетелями закрытия
проблемы существования антивещества в
современной Вселенной.
А может прав поэт:
“…Знакомый лектор мне вчера сказал: “Антимиры? - Мура!”
Андрей Вознесенский.