Загадки Вселенной: почему антиматерия еще не уничтожила наш мир
Объекты Вселенной - галактики, звезды, квазары, планеты, сверхновые, животные и люди состоят из материи. Ее формируют различные элементарные частицы - кварки, лептоны, бозоны. Но оказалось, что существуют частицы, в которых одна доля характеристик полностью совпадает с параметрами "оригиналов", а другая имеет обратные значения. Данное свойство побудило ученых дать совокупности таких частиц общее название "антиматерия".
Стало также ясно, что изучить эту загадочную субстанцию намного труднее, чем зарегистрировать. В природе античастицы в стабильном состоянии пока не встречались. Проблема в том, что вещество и антивещество при "соприкосновении" аннигилируют (взаимно уничтожают друг друга). В лабораториях антиматерию получить вполне возможно - правда, довольно сложно удержать. Пока ученым удавалось это сделать только в течение считаных минут.
Согласно теории, Большой взрыв должен был породить одинаковое число частиц и античастиц. Но если вещество и антивещество аннигилируют друг с другом, значит, они должны были единовременно перестать существовать. Почему же Вселенная существует?
"Более 60 лет назад теория гласила, что все свойства античастиц совпадают со свойствами обычных частиц в зеркально-отраженном пространстве. Однако в первой половине 60-х было обнаружено, что в некоторых процессах эта симметрия не выполняется. C тех пор было создано немало теоретических моделей, проведены десятки экспериментов для объяснения этого феномена. Сейчас наиболее развиты теории, которые различие в количестве материи и антиматерии связывают с так называемым нарушением CP-симметрии (от слов сharge - "заряд" и рarity - "четность"). Но достоверного ответа на вопрос, почему материи больше, чем антиматерии, пока никто не знает", - поясняет Алексей Жемчугов, доцент кафедры фундаментальных и прикладных проблем физики микромира Московского физико-технического института.
История антивещества началась с уравнения движения электрона, имевшего решения, в которых он обладал отрицательной энергией. Поскольку физический смысл отрицательной энергии ученые представить не могли, то "придумали" электрон с положительным зарядом, назвав его "позитрон".
Он стал первой экспериментально обнаруженной античастицей. Установка, регистрирующая космические лучи, показала, что траектория движения некоторых частиц в магнитном поле похожа на траекторию электрона - только отклонялись они в противоположную сторону. Далее была открыта пара мезон-антимезон, зарегистрированы антипротон и антинейтрон, а затем ученые смогли синтезировать антиводород и ядро антигелия.
Что означают все эти "анти"? Обычно мы используем эту приставку, чтобы обозначить противоположное явление. Что касается антиматерии - к ней можно отнести аналоги элементарных частиц, имеющие противоположные заряд, магнитный момент и некоторые другие характеристики. Конечно, все свойства частицы не могут измениться на противоположные. Например, масса и время жизни всегда должны оставаться положительными, ориентируясь на них, можно отнести частицы к одной категории (например, протонам или нейтронам).
Если сравнить протон и антипротон, то некоторые характеристики у них одинаковы: масса у обоих 938.2719(98) мегаэлектронвольт, спин ½ (спином называют собственный момент импульса частицы, который характеризует ее вращение, притом что сама частица находится в покое). Но электрический заряд протона равен 1, а у антипротона - минус 1, барионное число (оно определяет количество сильно взаимодействующих частиц, состоящих из трех кварков) 1 и минус 1 соответственно.
Некоторые частицы, например бозон Хиггса и фотон, не имеют антианалогов и называются истинно нейтральными.
Большинство античастиц вместе с частицами появляются в процессе, называемом "рождение пар". Для формирования такой пары требуется высокая энергия, то есть огромная скорость. В природе античастицы возникают при столкновении космических лучей с атмосферой Земли, внутри массивных звезд, рядом с пульсарами и активными ядрами галактик. Ученые же используют для этого коллайдеры-ускорители.
Изучение антиматерии имеет практическое применение. Дело в том, что аннигиляция вещества и антивещества порождает высокоэнергетические фотоны. Допустим, мы берем банку протонов и антипротонов и начинаем понемногу выпускать их навстречу друг другу по специальной трубке, буквально по одной штуке. При аннигиляции одного килограмма антиматерии выделяется столько же энергии, как и при сжигании 30 миллионов баррелей нефти. Ста сорока нанограммов антипротонов было бы вполне достаточно для полета на Марс. Загвоздка в том, что для получения и удержания антивещества требуется еще больше энергии.
Впрочем, антиматерия уже используется на практике, в медицине. Позитронно-эмиссионная томография применяется для диагностики в онкологии, кардиологии и неврологии. Метод основан на доставке распадающейся с испусканием позитрона материи в определенный орган. Например, в качестве транспорта может выступать вещество, хорошо связывающееся с раковыми клетками. В нужной области образуется повышенная концентрация радиоактивных изотопов и, следовательно, позитронов от их распада. Позитроны немедленно аннигилируют с электронами. А точку аннигиляции мы вполне можем зафиксировать путем регистрации гаммаквантов. Таким образом, с помощью позитронно-эмиссионной томографии можно обнаружить повышенную концентрацию вещества-транспорта в определенном месте.
