Разгадку дефицита антиматерии нашли в супе из кварков

В сообщении Брукхейвенских национальных лабораторий и статье, которую исследователи опубликовали в журнале Physical Review Letters, речь идет о явлении, называемом «нарушением симметрии». По сути в ней речь о том, почему при возникновении Вселенной привычных нам частиц образовалось больше, чем антиматерии. Как считают ученые, обычная для мира симметрия нарушается при сверхвысоких давлениях и температурах.

 

Симметрия

Законы сохранения энергии и импульса известны всем из школьной программы. Но далеко не в каждом институтском курсе физики говорится, с чем они связаны и почему энергия любой замкнутой системы сохраняется и лишь переходит из одной формы в другую. А причина тем временем очень проста: симметрия пространства — времени.

 

Что такое симметрия? В геометрии это неизменность фигуры при преобразованиях, поворотах или отражениях. Для физиков смысл почти такой же: результат эксперимента в хорошо изолированной лаборатории с правильно настроенными приборами не зависит от того, где находится лаборатория и в какой день недели проводится опыт.

 

В 1918 году немецким математиком Эмми Нётер была доказана теорема, согласно которой каждый частный случай симметрии пространства дает определенный закон сохранения. Например, то обстоятельство, что сегодня и завтра (симметрия относительно сдвига во времени) эксперимент пройдет одинаково, дает закон сохранения энергии, а то, что переезд лаборатории ничего не изменит (симметрия относительно сдвига в пространстве), — дает закон сохранения импульса. И более того, еще целый ряд дополнительных законов сохранения следовал из не столь очевидных симметрий: в частности, из так называемой калибровочной инвариантности выведен закон сохранения заряда.

 

А в ядерной физике, где ученые в середине XX века столкнулись с множеством совершенно новых величин (например у кварков, составных частей протонов и нейтронов, есть такое свойство как цвет), примеров симметрии нашлось еще больше и с соответствующими законами сохранения. Эксперименты показали, что многие частицы имеют свои аналоги, которые совпадают во всем, кроме заряда и еще нескольких характеристик. Собственно, так была открыта антиматерия – вещество, которое в определенном смысле «симметрично» обычному, вещество, из которого тоже можно собрать атомы и молекулы.

Большой взрыв на заказ

Антиматерии в мире, подчиненном с самого начала законам симметрии, должно было бы быть примерно поровну с обычным веществом. Когда произошел Большой взрыв и раскаленная до триллионов градусов плазма остывала, процесс получения из нее антипротонов и антинейтронов ничем бы не отличался от процесса формирования обычных протонов с нейтронами, но что-то эту симметрию нарушило. Что?

 

Узнать ответ на этот вопрос не так просто: Большой взрыв не относится к тем явлениям, которые легко воспроизводятся в любой лаборатории. Однако, если взять мощный ускоритель заряженных частиц, коллайдер, реконструкция первых мгновений Вселенной становится вовсе не неразрешимой задачей. При столкновении летящих на околосветовой скорости ядер атомов золота или свинца некоторая часть протонов и нейтронов сталкивается с достаточной энергией, чтобы расколоться, и тогда вместо ядер атомов на месте столкновения возникает микроскопическое облако кварк-глюонной плазмы.

 

Кварки — это то, из чего состоят протоны и нейтроны. Глюоны — это частицы, которые «склеивают» кварки (glue — по-английски «клей»). Если два ядра атомов столкнуть с достаточной силой, на короткое время вместо набора протонов и нейтронов возникнет облако, в котором кварки перепутаны с глюонами. Это кварк-глюонная плазма, такая же, которая возникла в первые моменты после Большого взрыва. Потом плазма остынет, из нее вместо исходных ядер золота или свинца вылетит пучок самых разных частиц, эти частицы попадут в окружающие трубу коллайдера детекторы, и ученые узнают, что же именно происходило внутри плазмы.

 

Все дело в пузырьках

При температуре 4 триллиона (4 миллиона миллионов) градусов не только обычное вещество успевает распасться на отдельные ядра атомов и электроны (то есть стать плазмой), но и сами ядра атомов превращаются в мешанину из кварков и глюонов. Поведение такой смеси уже во многом отличается от поведения, к примеру, обычного газа или жидкости. В ней, как показали ученые, происходит тот самый процесс нарушения симметрии, причем не просто по всему объему кварк-глюонной плазмы, а внутри небольшой области, пузырька.

 

 

 

Внутри этого пузырька происходило разделение кварков по их электрическому заряду за счет взаимодействия с магнитными полями, а это, в свою очередь, могло приводить и к тому, что антиматерии получалось значительно меньше. По мнению ученых, такие же процессы сразу после Большого взрыва давали тот же эффект: обычная материя внутри неоднородностей кварк-глюонной плазмы возникала с большей вероятностью. В результате мир получился с преобладанием обычного вещества.

 

Впрочем, необходимо подчеркнуть: если бы антиматерии оказалось, напротив, больше, мы бы ничего не заметили. Протон имел бы отрицательный заряд, вокруг ядер атомов находились бы позитроны, но в целом это ничего бы не поменяло. Хуже было бы, если бы процесс остывания Вселенной шел симметрично, с образованием равных частей антивещества и обычной материи. При встрече частиц и античастиц происходит неизбежная аннигиляция, после которой остается лишь гамма-излучение.

 

Кстати, кое-где античастицы найти можно: например, в космических лучах, среди частиц с высокой энергией, на каждые десять электронов приходится один позитрон. Откуда они берутся, ученые пока точно сказать не могут, – либо при поглощении вещества сверхплотными остатками звезд (температура этого процесса вполне допускает подобное), либо при распаде частиц загадочной темной материи. Темная материя стоит особняком от антивещества и обычных частиц — она проявляет себя лишь за счет гравитации, поэтому поймать ее до сих пор не удается.