Энергия антимира: зачем физикам самая тяжелая разновидность антиматерии

Физики создали самую тяжелую частицу антиматерии из когда-либо наблюдавшихся. Это достижение может пролить свет на вопрос, почему во Вселенной вообще существует материя. Статья об открытии опубликована в журнале Nature.

Злой двойник

В 1928 году великий физик Поль Дирак столкнулся с парадоксом. Уравнение, описывающее свойства электрона, имело два решения. Одно соответствовало электрону, а другое — точно такой же частице с противоположным, то есть положительным, зарядом. Карл Андерсон открыл эту частицу в космических лучах в 1932 году и назвал позитроном —сейчас ее назвали бы антиэлектроном. Так человечество впервые познакомилось с антиматерией. Позже были открыты антипротон, антинейтрон и антинейтрино.

Теоретики считают, что у каждой частицы есть античастица.  Античастица имеет такую же массу, время жизни и другие характеристики, как и исходная частица, но противоположный электрический заряд. Если частица сталкивается со своей античастицей, происходит аннигиляция — обе «близняшки» превращаются в фотоны. При этом вся их масса переходит в энергию по знаменитой формуле E = mc2. Аннигиляция одного килограмма антивещества высвобождает 43 мегатонны в тротиловом эквиваленте. Это самый мощный источник энергии во Вселенной, в десятки раз эффективнее водородных бомб.

Большой взрыв в лаборатории

Правда, никто не умеет производить антиматерию не только килограммами, но даже микрограммами. Речь скорее идет об отдельных античастицах.

Античастицы взаимодействуют друг с другом так же, как обычные частицы. Антипротоны объединяются с антинейтронами в ядра, а если добавить кружащие вокруг них позитроны, получатся антиатомы. Еще в XX веке физики получили ядра антидейтерия и антитрития — «двойники» изотопов водорода дейтерия и трития, а также антигелия-3. 

В 2011 году ученые, работающие с ускорителем RHIC, получили ядра антигелия-4. Такое ядро состоит из двух антипротонов и двух антинейтронов. До недавних пор это была самая массивная частица антиматерии из когда-либо наблюдавшихся. Теперь та же команда побила собственный рекорд.

Четырехкилометровый коллайдер RHIC разгоняет ядра золота до 99,996% скорости света. Два пучка ядер отправляются навстречу друг другу, и некоторые ядра сталкиваются. Энергия столкновения разрушает оба ядра и превращает их в кварк-глюонную плазму. Это «первичная каша», предположительно существовавшая в первые микросекунды после Большого взрыва и давшая начало материи. Кварк-глюонная плазма быстро распадается на более стабильные частицы. Каждое столкновение двух ядер золота в конечном счете производит тысячи элементарных частиц.

В этих столкновениях рождается как материя, так и антиматерия. Иногда антипротоны и антинейтроны по чистой случайности оказываются так близко друг к другу, что образуют ядра антиатомов. Чтобы наблюдать это чрезвычайно редкое событие, нужно множество столкновений.

Ожившая химера

Но в этот раз физики наблюдали нечто еще более экзотическое — гиперядро антиматерии. Обычные атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Те, в свою очередь состоят из двух видов кварков — верхних и нижних (u- и d-кварков). Кварковый состав протона — uud, нейтрона — udd. Но есть и другие виды кварков, в частности, странный кварк (s-кварк). Частица под названием лямбда-гиперон состоит из верхнего, нижнего и странного кварка (uds). Лямбда-гиперон отчасти похож по своим свойствам на протон и нейтрон и может объединяться с ними в некое подобие атомного ядра. Такие структуры называются гиперядрами и быстро распадаются.

Вспомним, что у каждой частицы есть античастица. Антикварки u и d объединяются в антипротоны и антинейтроны, а при добавлении странного антикварка получается лямбда-антигиперон. В недавнем эксперименте физики наблюдали гиперядро, состоящее из антипротона, двух антинейтронов и лямбда-антигиперона. По составу оно напоминает антигелий-4 с лямбда-антигипероном вместо второго антипротона. Однако странный кварк тяжелее верхнего, поэтому новое гиперядро тяжелее антигелия-4.

Гиперядра разрушаются слишком быстро, чтобы наблюдать их непосредственно. Физики вычисляли их по продуктам распада, прослеживая треки миллиардов частиц. Поиск «антииголки» в стоге сена выявил 16 столкновений ядер, в которых, предположительно, образовались рекордные антигиперядра. В нескольких других столкновениях образовались такие же гиперядра из обычной материи. Полученных данных хватило, чтобы сравнить время жизни гиперядра из обычного вещества и антивещества. Как и предсказывает теория, оно оказалось одинаковым. Следующий шаг — сравнить их массы, но для этого нужно получить больше гиперядер.

Заглянуть в зазеркалье

Почему физики тратят такие усилия на получение антивещества? Ведь теория говорит, что это практически точная копия обычной материи. Намного проще изучать обычные частицы и автоматически приписывать их свойства античастицам.

Если вещество и антивещество такие одинаковые, естественно ожидать, что сразу после Большого взрыва они образовались в одинаковом количестве. Но в те времена Вселенная еще не расширилась как следует и частицы постоянно сталкивались друг с другом. Будь частиц и античастиц поровну, они бы аннигилировали друг с другом. Не было бы ни галактик, ни планет — только пустое пространство, заполненное излучением.

Раз этого не произошло, значит, материи по каким-то причинам образовалось больше, чем антиматерии. Весь мир, включая нас самих, состоит из частиц, для уничтожения которых когда-то не хватило античастиц. Очень приятно, что так вышло, но все же почему это произошло?

Возможно, что материя и антиматерия все же отличаются в некоторых важных свойствах. В конце концов, симметрия между ними — это лишь теоретический вывод. Теории иногда оказываются неверными, и за опровергающие их эксперименты присуждаются нобелевские премии. Но для начала эти эксперименты надо провести.

Тайны Вселенной — это очень интересно, но можно ли использовать антиматерию «в народном хозяйстве»? Как ни удивительно, она уже используется. Позитронно-эмиссионная томография — один из видов медицинского сканирования, основанный как раз на аннигиляции. В кровь человека вводят безопасную дозу радиоактивного вещества, распадающееся с испусканием позитронов. Позитроны наталкиваются на электроны в атомах нашего тела и аннигилируют. Детектор улавливает гамма-фотоны, образовавшиеся при аннигиляции, и тем самым показывает, к каким частям организма особенно обильно приливает кровь. Таким путем можно отследить, например, активность разных зон мозга в реальном времени.

Вполне возможно, в будущем появятся и другие полезные технологии, использующие микроскопические количества антиматерии. А вот получение энергии из аннигиляции, видимо, еще долго останется фантастикой. Хочется надеяться, к моменту появления такой техники человечество достаточно поумнеет, чтобы делать из антиматерии топливо, а не бомбы.