Физика частиц и Вселенная

Мы привыкли встречать понятие «антиматерия» в фантастических рассказах, однако для ученых она давно уже стала повседневной реальностью. Считается, что в момент Большого Взрыва наша Вселенная состояла из нее почти наполовину. Одна из самых серьезных задач современной фундаментальной науки — понять, почему она вся исчезла, чтобы наш «чисто материальный» мир смог возникнуть и эволюционировать. Тара Ширс посвятила этим вопросам почти всю свою научную карьеру. Для этого она участвует в сложных экспериментах, проводимых в Европейском центре ядерных исследований (CERN) и на Международной космической станции. Таким необычным образом основная специальность ученой объединилась с ее увлечением — астрономией, имеющей дело с крупномасштабными структурами и большими телескопами. Со школьных лет я интересовалась астрофизикой, поэтому быть здесь и слушать доклады коллег-ученых — огромное удовольствие для меня: ведь моя собственная работа связана с самыми мелкими элементами Вселенной — субатомными частицами.

Основной предмет моего доклада — антиматерия. Многим кажется, что это нечто из научной фантастики, однако я хочу показать, что на самом деле она является реальным фактом, причем с ней связана одна из главных загадок, которым наука пока не нашла объяснения. Кроме того, я расскажу о том, какую роль играет физика элементарных частиц в изучении строения Вселенной и заполняющего ее вещества. Я начну с того, что нам уже известно, а потом перейду к месту антиматерии в нашей системе знаний об устройстве мироздания. Я постараюсь объяснить, в чем принципиальная важность антиматерии, каким образом мы работаем над ее изучением с помощью наших экспериментов, расскажу об их самых последних и выдающихся результатах и о том, как близко мы подобрались к раскрытию ее тайн.

Перед тем, как перейти к вопросам антиматерии, позвольте прояснить некоторые контекстуальные аспекты. Мы, физики, занимающиеся элементарными частицами, не используем огромные телескопы и прочее оборудование из арсенала астрофизиков. Подход, который мы применяем, заключается в изучении самых мелких составных частей всего сущего. Базовые элементы, из которых состоит все вокруг — звезды, галактики, мы с вами — универсальны и одинаковы. По нашему убеждению, достигнув понимания, каким образом устроены эти элементарные частицы и как они себя ведут, мы сумеем узнать, как устроено все, что из них состоит, на более крупных масштабах. Наш подход дополняет методы, используемые в астрофизике.

Итак, если рассмотреть материю, из которой соткано все вокруг нас, на микроуровне, то можно обнаружить, что любые объекты состоят всего лишь из 12 универсальных базовых составных элементов: 6 видов элементарных частиц, называемых кварками, и 6 видов элементарных частиц, называемых лептонами. Они различаются между собой особенностями поведения. Чтобы понимать, о каких мелких объектах идет речь, стоит помнить, что по отношению к размеру атома они так же малы, как атом по отношению к человеку. На самом деле мы не имеем представления о том, насколько малы элементарные частицы: они слишком крохотные, чтобы их можно было измерить. Фактическая их величина может оказаться еще меньше. Именно на таком уровне мы изучаем Вселенную, чтобы постараться разгадать ее тайны.

Все элементарные частицы взаимодействуют между собой с помощью фундаментальных сил природы — электромагнетизма, гравитации, сильного ядерного взаимодействия, поддерживающего стабильность атомного ядра, и слабого ядерного взаимодействия, благодаря которому происходит радиоактивный распад. К счастью, мы уже понимаем, как «работает» большинство этих сил. Наше понимание принимает форму уравнений, лежащих в основе физики элементарных частиц — науки, объясняющей экзотические условия суб-атомной Вселенной. Теория эта настолько элегантна и лаконична, что все ее уравнения можно уместить в надписи на футболке. При этом она необычайно успешно объясняет, как ведут себя ее «фигуранты», каким образом они взаимодействуют с различными силами и между собой, и каких результатов можно ожидать в каждом из наших экспериментов. Теория настолько точна, что еще ни один полученный экспериментальный результат не противоречил ее предсказанию. По этой причине она получила название Стандартной модели элементарных частиц.

Тем не менее, как бы ни была хороша наша теория, во Вселенной существует немало явлений, в понимании которых она помочь нам не способна. И одна из таких загадок связана с антиматерией.

Позвольте продемонстрировать, каким образом антиматерия вписывается в изложенную картину. Дело в том, что каждая из известных физике элементарных частиц потенциально имеет свой эквивалент с противоположным зарядом, который под воздействием природных сил ведет себя подобно зеркальному отражению «оригинала». Если материя и антиматерия встретятся, они аннигилируют — вся их масса превратится в колоссальное количество чистой энергии. Всего четверть грамма материи и антиматерии при аннигиляции способны выделить энергию, соответствующую по мощности взрыву в 5 килотонн в тротиловом эквиваленте. Это уж точно стало бы впечатляющим свидетельством успеха эксперимента по получению античастиц…

Но не переживайте: едва ли антиматерия будет использована в разрушительных целях, ведь благодаря своей редкости она — еще и самое дорогое вещество во Вселенной.

Стоимость получения одного ее миллиграмма составила бы около 100 млрд долларов, однако за всю историю человечества мы и близко не набрали такого количества. Все, что нам удалось создать в лабораториях — ничтожные доли микрограмма.

Тем не менее, антиматерия существует в естественных условиях: например, при радиоактивном распаде калия на всей Земле за один день могут выделяться десятки позитронов (антиэлектронов). Но даже в масштабах Вселенной количество антиматерии невероятно мало, и именно эта ее редкость — большая загадка для науки.

Чтобы понять, почему редкость антиматерии настолько удивительна, придется рассмотреть историю Вселенной с самого ее зарождения. Все началось с Большого Взрыва, породившего невообразимо горячий «бульон» из фундаментальных частиц, который наполнил собой стремительно расширяющееся пространство и с течением времени остыл, собравшись позже в атомы, молекулы, газовые облака, из которых, в свою очередь, образовались звезды, планеты, галактики и все, что мы видим вокруг нас сегодня — без малого 14 млрд лет спустя. Во всей этой истории, в самом ее начале, антиматерия играет важнейшую роль, поскольку, судя по тому, что мы знаем, одна половина Вселенной исходно состояла из антиматерии, а другая — из материи.

На заре времен частицы материи и антиматерии, сталкиваясь друг с другом, аннигилировали, превращаясь в энергию в форме фотонов электромагнитного излучения, а те снова превращались в пары частиц и античастиц. Процесс бурлящего образования и исчезновения бесчисленного количества таких пар продолжался по мере расширения и остывания ранней Вселенной. Однако спустя непродолжительное даже по меркам повседневности время — менее одной секунды после рождения — Вселенная остыла настолько, что движение частиц замедлилось, а энергии фотонов перестало хватать на образование все новых пар материи/антиматерии. Процесс массовой аннигиляции прекратился. Все вещество, которое мы можем наблюдать — это остатки «последнего раунда» взаимной аннигиляции частиц и античастиц.

То, что мы, как и весь мир вокруг нас, сотканы из «нормальной» материи, указывает на факт, что в этом последнем раунде баланс нарушился: частиц материи оказалось ненамного, но больше, чем частиц антиматерии, с которыми они могли бы аннигилировать. В противном случае не осталось бы ничего, чтобы образовать наполняющее Вселенную вещество — в ней был бы только свет, но не было бы ни звезд, ни планет, ни жизни. Своим существованием мы обязаны тому незначительному, едва заметному перевесу в сторону материи, который позволил ей «одержать победу» над антиматерией, чтобы позже сформировать привычную нам среду обитания.

Можно сказать, что загадкой является даже не сама редкость антиматерии, а то, что стало причиной ее редкости. Тайна, которую мы хотим раскрыть, заключается в том, что
же обусловило нарушение баланса в пользу материи, ведь ответ на этот вопрос фундаментальным образом повлияет на наше понимание того, как Вселенная оказалась в современном состоянии.

Что же говорит нам об этом наша теория, Стандартная модель? Ничего. Согласно ей, материя и антиматерия должны вести себя одинаково. Тем не менее, проводя эксперименты, мы замечаем различия. Это как раз тот случай, когда теоретические наработки не могут дать вразумительного объяснения экспериментальным данным. В такой ситуации эксперимент — наша единственная надежда постичь тайну антиматерии; очевидно, это возможно только путем анализа результатов множества различных опытов и измерений в надежде, что в итоге они сложатся в стройную картину различий между обычной материей и антиматерией. Если этот подход принесет плоды, позже станет возможным интегрировать новое понимание в сложившуюся систему знаний об устройстве Вселенной.

Учитывая все вышесказанное, логичным кажется следующее предположение: а что, если антиматерии вовсе не было меньше, чем обычной, что она существует по сей день и просто скрывается там, где мы ее не видим? Это предположение не только заслуживает внимания, но и получило проверку. Если антиматерия встретится с обычной материей где-то в глубинах космоса, при их аннигиляции выделится характерное излучение. Ученые пытались обнаружить фотоны, потенциально порожденные такими событиями — но ни один телескоп не смог зарегистрировать ничего подобного.

Кроме того, мы составили и детально изучили фотографию Вселенной на самых ранних этапах ее эволюции — карту реликтового микроволнового излучения, возникшего, как только сформировались первые нейтральные атомы, сделав пространство прозрачным для света. Если бы существовали регионы массового скопления антиматерии, на этой карте были бы видны изменения плотности фотонов, обусловленные ее аннигиляцией с материей. Есть и другое следствие встречи антиподов, которое могла бы отражать карта реликтового излучения — ведь аннигиляция происходит с выделением огромного количества энергии. Используя теоретические данные, космологи могут предсказать, каким образом в таком случае выглядела бы «фотография» юной Вселенной, а потом сравнить ее с результатами, полученными экспериментально. Тем не менее, пока с помощью подобных методов в космосе не было обнаружено значительных скоплений антивещества.

Но что, если антиматерия присутствует не в форме огромных залежей, а в виде компактных скоплений, и поэтому нам не удается ее засечь? Могут ли существовать звезды из антиматерии, извергающие потоки античастиц? Может быть, она как-то связана с таинственной темной материей, которая служит своеобразным «клеем», удерживающим галактики от разрушения? Один из способов обнаружить такие небольшие «антиматериальные объекты» заключается в попытке выявить испущенные ими частицы.

Нам известно, что существует множество источников космических лучей, которые, достигая газовой оболочки нашей планеты, активно взаимодействуют с ней, порождая потоки частиц и античастиц на пути к поверхности Земли. Очевидно, изучая результаты этих множественных взаимодействий и преобразований, иногда очень сложно восстановить картину событий и сказать наверняка, что же породило полученный набор данных — материя или антиматерия. Возможно, когда-нибудь мы придумаем способ это сделать.

Чтобы быть абсолютно уверенными, необходимо изучать космические лучи непосредственно в космосе — до того, как они вступят в контакт с земной атмосферой. К счастью, у нас есть экспериментальная площадка, где ведутся именно такие исследования. Устройство, предоставляющее возможность изучения космических лучей, которые пронизывают открытый космос, называется «магнитный альфа-спектрометр», или AMS.

Этот прибор установлен на борту Международной космической станции и вот уже 5 лет из 20 запланированных регистрирует и классифицирует высокоэнергетические частицы, заполняющие космическое пространство. Внутри альфа-спектрометра находятся детекторы, позволяющие определять, к какому виду относятся зарегистрированные частицы и какой энергией они обладают, а также каков их электрический заряд, что дает возможность отнести частицу к материи либо антиматерии. Одна из задач AMS заключается в подсчете количества частиц обоих видов.

Ожидается, что детектором будет зарегистрировано некоторое количество антивещества, возникшего в результате привычных физических процессов — например, при столкновении высокоэнергетических протонов с межзвездной пылью и газом могут образовываться частицы как материи, так и антиматерии. При этом в пропорциональном соотношении последней должно быть больше при низких энергиях, а при высоких энергиях ее количество начнет уступать обычной материи. Именно это изменение баланса при возрастании энергии частиц вызывает живой интерес у ученых.

Существует несколько видов событий, вследствие которых могут появляться высокоэнергетические античастицы. Считается, что одним из них может быть аннигиляция темной материи, поскольку ее частицы предположительно обладают чрезвычайно большой массой, и соответственно при их аннигиляции должно выделяться колоссальное количество энергии. Обнаружение признаков таких событий многое сказало бы нам и о характере самой антиматерии, и о местах во Вселенной, где следует ее искать.

Высокоэнергетические античастицы также могут образовываться при более тривиальных астрофизических процессах. Например, пульсары, вращающиеся с огромной скоростью, разгоняют частицы своими невероятно мощными магнитными полями, благодаря чему они могут вырываться в открытый космос с колоссальной энергией.

В декабре прошлого года были получены и проанализированы последние экспериментальные данные, касающиеся электронов и позитронов, зарегистрированных AMS. С одной стороны, результаты свидетельствуют об однозначном наличии антиматерии в современной Вселенной… но, с другой стороны, количество ее несоизмеримо меньше, чем обычной.

Примечательно в этих результатах то, что доля антиматерии при более высоких энергиях оказалась больше ожидаемой. Такой неожиданный вывод озадачил ученых и вызвал у них желание сопоставить полученные данные с теоретическими предсказаниями поведения темной материи: может ли эта таинственная субстанция оказаться ответственной за такие последствия? Оказалось, что теория потрясающим образом согласуется с экспериментальными данными. Открытым остается лишь вопрос точности измерений AMS: достаточна ли она, чтобы установить источник антиматерии — является ли им темная материя или же менее экзотические объекты (такие, как пульсары)? Для того, чтобы понять, как правильно интерпретировать имеющиеся данные, необходимо продолжать наблюдения в течение длительного времени и проанализировать более значительные массивы информации. Таким образом, пока у нас недостаточно оснований, чтобы делать однозначные выводы, но уже получены определенные свидетельства в пользу существующих теорий об источниках антиматерии.

Космос — не единственное место, где можно вести подобные исследования. Помимо естественных источников антиматерии, существуют и созданные человеком — например, в Европейской лаборатории физики частиц в CERN, где подход к изучению вопроса немного иной. В частности, там антиматерию исследуют с помощью устройства, именуемого «замедлителем антипротонов». Специальная установка позволяет создавать антипротоны и объединять их с позитронами в атомы антиводорода. После этого производятся все возможные измерения, результаты которых используют для сравнения с хорошо известными соответствующими показателями обычного водорода.

Одна из основных проблем, связанных с изучением антиматерии, заключается в ее характерной черте — моментальной аннигиляции при контакте с любой обычной материей. Куда же можно поместить вновь созданный атом антиводорода, если все наши контейнеры и оборудование состоят из материи? Для этой цели в CERN используют замысловатую технологию, основанную на том факте, что атом (и антиатом) имеет слабый магнитный момент, позволяющий удержать его в подвешенном состоянии путем помещения в мощное магнитное поле в вакууме. И пока антиатом не столкнется с молекулой воздуха или стенками контейнера, ученые получают возможность провести необходимые измерения. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию этой технологии и разрабатываются программы исследований, которые планируют производить таким способом.

Вопросы, которые предстоит изучить, в частности, включают следующие: что происходит с антиматерией под действием гравитации? Падает ли она вниз, как обычная, или, наоборот, «воспаряет»? На данный момент мы не знаем этого наверняка — ответ предстоит найти экспериментальным путем. Пока предполагается, что верен первый вариант.

Еще одна работа, опубликованная по результатам исследований, касалась структуры антиводорода. Пока она представляется аналогичной структуре обычного атома: позитрон, обращающийся вокруг антипротона, имеет такую же энергию, как обычный электрон на орбите вокруг ядра простого водорода.

Хочу обратить внимание на то, что работы, которые я упомянула — лишь первые шаги, фундамент для будущих исследований. Оборудование постоянно совершенствуется, технологии и методы дорабатываются, а значит, в будущем нас ждет множество захватывающих и неожиданных открытий касательно природы антиматерии.

Еще больше новых знаний об этой экзотической субстанции удалось получить в результате проведения одного эксперимента, предметом которого были не антиатомы, а элементарные античастицы. Исследование проводилось с помощью Большого адронного коллайдера — самого мощного ускорителя частиц, имеющегося в распоряжении CERN. Эта установка представляет собой огромную трубу длиной 27 км, замкнутую в кольцо, внутри которой пучки протонов (или более тяжелых ионов) разгоняются в противоположных направлениях практически до скорости света. При этом они сталкиваются между собой в четырех точках на своем пути, где расположены наши детекторы. Подобные эксперименты дают надежду на то, что нам удастся приоткрыть завесу тайны, ведь они позволяют — на крохотную долю секунды и в невообразимо малых масштабах — восстановить температуры и плотности, имевшие место на заре времен, первые мгновения жизни нашей Вселенной.

Такие столкновения порождают изобилие частиц и античастиц, последний раз существовавшее около 14 млрд лет назад, и дают нам уникальный шанс детально изучить их. Для этих целей мы используем детекторы, которые работают подобно гигантским трехмерным цифровым фотокамерам, позволяющим запечатлеть все продукты столкновений, измерить энергию, с которой они разлетаются, и зарегистрировать элементы, на которые они вскоре распадаются. Используя эту информацию, мы можем воссоздать картину события и определить, какие виды частиц возникли при ударе протона о протон.

В момент столкновения количество порожденной им материи равно количеству антиматерии. Однако к тому моменту, когда наши детекторы засекут его результат — например, «осколок» в виде нижнего кварка или другой частицы — какое-то незначительное время, миллионная доля секунды уже пройдет. Проанализировав количество материи и антиматерии в этот следующий момент, мы сможем определить, чего осталось больше, произошло ли нарушение баланса. Исходя из полученных данных, похоже, что он действительно нарушается.

В ходе эксперимента наблюдаются определенные виды частиц, обладающие собственной характерной «подписью», которая позволяет выделить их среди других. Как я уже упоминала, в момент столкновения производится одинаковое количество материи и антиматерии — а вот во время замера, спустя несказанно малые доли секунды, материи регистрируется значительно больше. Аналогичные выводы получены при проведении множества других исследований, в том числе и при наблюдениях иных видов частиц. Таким образом, эксперименты, которые проводятся в CERN, помогают углубить наше понимание природы антиматерии на уровне элементарных частиц.

Что же все это означает? Если помните, я говорила, что наши теории не дают объяснений, в чем же заключается разница между материей и антиматерией, обуславливающая такое различие в их количестве. Чтобы интерпретировать результаты исследований, необходима соответствующая теоретическая парадигма, позволяющая вписать в нее экспериментально полученные данные. Это значит, что существующую теорию необходимо модифицировать таким образом, чтобы она учитывала отличия между материей и антиматерией, приводящие к фактически наблюдаемым показателям. Чтобы добиться этого, мы использовали, признаюсь, далеко не самое элегантное решение, и ввели в нашу теорию всего одно число, отвечающее за различия между видами материи.

Идея заключается в следующем: если мы измерим различия между материей и антиматерией, то сможем сравнить полученные данные с теоретическими предсказаниями. Стоит отметить, что мы не имеем возможности предсказать их различие точно, поскольку упомянутое число нам неизвестно. Однако, сопоставив фактически наблюдаемые результаты с предсказанием, мы могли бы получить его приблизительное значение. Подобную процедуру нужно проделать не только для одного, а для нескольких видов измерений, и, сравнив результаты с теоретическим прогнозом, получить еще одно примерное значение неизвестного числа… Следуя этой методике и проведя множество аналогичных расчетов, мы сможем сравнить полученные приблизительные значения и проанализировать, насколько результаты согласуются друг с другом.

Выполнив описанные операции, мы получили область на графике, где кривые результатов различных экспериментов пересекаются. Это означает, что существует некий параметр, объясняющий различия между материей и антиматерией. Если учесть его в нашей теории, она получит возможность объяснить все имеющиеся наблюдательные данные. Это поистине удивительно — ведь, несмотря на то, что мы не имеем четкого представления о природе антиматерии, похоже, мы сумели отыскать действенный способ с точностью описать и предсказать ее поведение. В современной космологии уже имеются теории, позволяющие сделать оценку количества вещества во Вселенной. Наши успехи в поиске описания характера антиматерии могут быть использованы, чтобы «отмотать» назад время в рамках таких теорий и узнать, сколько же ее было при зарождении нашего мира. Результаты таких теоретических изысканий говорят о том, что галактики из антиматерии вряд ли существуют — количество ее, скорее всего, слишком мало.

Таким образом, самый очевидный вывод, к которому мы пришли в ходе наших экспериментов — мы совершенно не понимаем природы антиматерии. На текущем уровне изученности субатомной Вселенной мы не можем дать объяснения ее поведению. Однако такой результат тоже можно считать вдохновляющим: это означает лишь то, что ответ содержится не в уже известных данных, а в новой физике, которую еще предстоит открыть.

Эксперименты, о которых я рассказала — лишь эпизоды из огромного множества исследований, ведущихся в этой области. Важно и то, что некоторые из наших данных указывают на возможную связь антиматерии и темной материи. Надеюсь, уже в недалеком будущем удастся подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, а может быть, даже получить прямые доказательства верности такого варианта объяснения природы экзотических форм материи. Уверена, что результаты не заставят себя ждать, и в ближайшие десятилетия мы сможем приоткрыть завесу тайны, окутывающей многие наиболее фундаментальные вопросы устройства Вселенной.