Подвійні стандарти

Вартість антиматерії падає: за оцінками 1999 року, для отримання грама антиводню знадобилося б 62,5 трлн доларів, 2006 року грам позитронів оцінювали вже в 25 млрд — але антивідництво так і залишається неймовірно рідкісним у нашому Всесвіті явищем. При цьому закони фізики не дають звичайній речовині ніяких особливих переваг. З точки зору найточніших формул існування складених з нього галактик, зірок і планет має під собою досить хиткі підстави.

Розмову про фізичні концепції прийнято починати з філософів давнини. У випадку з антиматерією таке не пройде: ця концепція — дитя XX століття. Розсудливі міркування про антивіщення звучали трохи раніше, але справжньою датою його народження слід вважати 1928 рік, коли Поль Дірак показав, що в рішеннях релятивістського рівняння Шредінгера з’являється дивний математичний об’єкт, у всіх сенсах подібний електрону, але з позитивним зарядом.

Єдиною відомою тоді позитивно зарядженою часткою був протон, і деякі вчені були не проти асоціювати передбачення Дірака саме з ним, проте 2000-разова різниця мас не дозволяла. Суперечки лише почали розгоратися, як — вже в 1929 році — радянський фізик Дмитро Скобельцин експериментально зареєстрував частинки, які вели себе як електрони, але при русі відхилялися магнітним полем у протилежний бік, тобто мали позитивний електричний заряд.

Суть його експерименту була досить проста: камера Вільсона — предтеча сучасних детекторів елементарних частинок — доповнювалася магнітами, піднімалася на велику висоту і реєструвала частинки, що прилітають з космосу. Скобельцину не вдалося довести, що закручені в «неправильному» напрямку треки залишають нові частинки-позитрони, а не випадкові електрони, що піднімаються в протилежному напрямку, від Землі вгору. Лише через три роки Карл Андерсон удосконалив експеримент, розділивши камеру Вільсона свинцевою пластиною. По тому, як таємничі частинки гальмувалися свинцем, вдалося розрізнити напрямок їхнього руху. Андерсон остаточно довів існування позитронів, за що в 1936 році отримав Нобелівську премію.

До речі, Поль Дірак саме у своїй нобелівській лекції в 1933 році передбачив і існування негативно зарядженого партнера протона — антипротона, який був експериментально відкритий в 1955 році фізиками з Університету Берклі Еміліо Сегре і Оуеном Чемберленом, які також заслужили Нобелівську премію. Через рік там же, у Берклі, був виявлений і антинейтрон. Настав час задуматися, як цей антимір вкладається в наші уявлення про Всесвіт.

Жалюгідні залишки

Стандартна модель фізики елементарних частинок, сформульована в 1950-1970-х роках, елегантно об’єднала частинки та античастинки в загальному математичному підході. В основі описаного їй світу лежать кварки і лептони: з кварків складаються адрони, такі як протон і нейтрон, і їх античастинки, а лептони — це електрон з позитроном і їх «важкі версії», мюони і тау-лептони. Ні фізика елементарних частинок, ні теорія Великого вибуху не дають переваги тим чи іншим кваркам або лептонам.

Формули показують, що на самому початку Всесвіту матерія і антиматерія повинні були з’явитися, загалом-то, в рівних кількостях. Результат їх взаємодії відомий: аннігіляція — перетворення всієї маси на енергію, за ейнштейнівською формулою E = mc². Це і сталося майже відразу після Великого вибуху, і сліди того грандіозного злиття матерії і антиматерії збереглися в фотонах реліктового випромінювання. Вся речовина, з якої складені незліченні зірки, планети і газові хмари сучасного Всесвіту, — це лише пережили аннігіляцію залишки, невелику кількість первісної речовини, на яку не вистачило антивіщення.

Перевага матерії над антиматерією була незначною, але виявилася однією з найбільших загадок космології. Її висловлює проблема баріонної асиметрії Всесвіту: в чому полягала та «фора», завдяки якій в новонародженому світі речовини утворилося трохи більше, ніж антивіщення? Вона була дійсно незначною — спрощуючи, можна сказати, що на мільярд частинок антиматерії з’являлися мільярд і ще одна частинка матерії звичайної, — але без цієї відмінності Всесвіт залишився б порожнечею, заповненою залишковим випромінюванням. Не було б і спостерігачів, здатних заспокоїтися тим, що відмінностей між речовиною і антивіщістю немає і все спрацювало в точності за формулами. На щастя, все склалося інакше.

Мінімальна перевага

Одним з перших теоретичне пояснення баріонному дисбалансу запропонував Андрій Сахаров. Ще наприкінці 1960-х він пов’язав асиметрію речовини та антивіщення з порушенням просторово-зарядової парності (CP-симетрії) у фундаментальних взаємодіях. Його викладки підтверджуються експериментами: слабка взаємодія, на відміну від сильної та електромагнітної, «розрізняє» речовину та антивіщення. Формули, що описують цей вид взаємодій, не зберігають свою силу при дзеркальному відображенні системи частинок і їх зарядів.

З іншого боку, для пояснення спостережуваної різниці в кількості речовини і антивіщення одного CP-порушення недостатньо. Можливо, ми просто чогось не помічаємо? Зірки, цілі галактики і навіть комети, що складаються з антиматерії, теоретично цілком можливі. Однак їх пошук — завдання непросте: у телескоп вони нічим не повинні відрізнятися від звичайних комет, зірок і галактик. Тому більше надій пов’язують з виявленням складних античастинок у складі космічних променів. Це стало одним із завдань експерименту AMS, розпочатого 2011 року на борту МКС.

Встановлений на зовнішній поверхні станції датчик ловить космічні частинки і аналізує їх склад у пошуках частинок антигелію, найперспективніших для вирішення проблеми баріонної асиметрії. На жаль, на сьогоднішній день всі результати вказують на відсутність помітних кількостей антиматерії в нашому Всесвіті. Детектор працює досі і виявляє лише рідкісні античастинки, що народжуються і зникають в результаті взаємодії звичайної матерії. Можливо, варто пошукати якісь більш тонкі відмінності між ними?

Синтетичний антимір

Отримання антиатомів на Землі виявилося технічно вкрай складним завданням. Перші атоми антиводню були отримані лише в 1995 році в експерименті SP20 на прискорювачі LEAR Європейського центру ядерних досліджень (ЦЕРН). Найважчий з синтезованих на сьогодні антиелементів — антигелій, ядро якого містить два антипротона і один або кілька антинейтронів. Антигелій-3 спостерігався ще до антиводню, 1970 року, на протонному синхротроні U-70 Інституту фізики високих енергій у Протвіно. Ізотоп антигелія-4 зареєстрували 2010 року в американській Брукхейвенській національній лабораторії.

Штучно отримані античастинки не утримає жодної посудини: взаємодіючи з атомами звичайної речовини, вони моментально аннігілюють. Тому зберігати антиатоми доводиться в спеціальних магнітних пастках Пеннінга — рекорд зберігання на сьогодні становить близько 17 хвилин. Однак і цього часу буває достатньо для того, щоб вивчити властивості антивісництва і перевірити правильність деяких передбачень теорії.

Одна з таких робіт була проведена в 2017-2018 роках колаборацією ALPHA в тому ж ЦЕРНі. Фізики з величезною точністю виміряли структуру спектра, пов’язаного із взаємодією магнітних моментів ядер і антиядер з магнітним полем електронів і позитронів. Однак навіть цей ювелірний експеримент не виявив жодних відмінностей у спектрах звичайного гелію та антигелію — в повній згоді зі Стандартною моделлю, знову не даючи жодних можливостей пояснити існування цілого Всесвіту звичайної речовини.

Перспективи без перспектив

Існують і альтернативні теоретичні пояснення переважання матерії над антиматерією. Наприклад, можуть зберегтися цілі регіони Всесвіту, де переважає антивідництво, відокремлене від нас перешкодою з дуже гарячого аннигіляційного «пари», що виникає на кордоні між областями, заповненими матерією та антиматерією.

Інша ідея пов’язана з гіпотезою про наявність у нейтрона або електрона власного електричного дипільного моменту (ЕДМ). У цьому випадку матерія і антиматерія вели б себе зовсім по-різному, даючи заділ для пояснення переваги першою над другою. Проте всі експерименти показують, що якщо ЕДМ у цих частинок і є, то вкрай слабкий, ніяк не здатний пояснити переважання звичайної речовини.

Всесвіт любить баланс: на кожну дію знаходиться протидія, правому протиставляється ліва — і кожен випадок асиметрії повинен бути особливим. Невідповідність кількості матерії та антиматерії — це, мабуть, найбільш фундаментальний приклад такої нестиковки. І поки ми не зрозуміємо природу цієї відмінності, вся будівля сучасної фізики так і залишиться стояти на досить хитких підставах.