Количество антивещества во вселенной

10 фактов об антиматерии, которых вы могли не знать

Антиматерия давно была предметом научной фантастики. В книге и фильме «Ангелы и демоны» профессор Лэнгдон пытается спасти Ватикан от бомбы из антиматерии. Космический корабль «Энтерпрайз» из «Звездного пути» использует двигатель на основе аннигилирующей антиматерии для путешествий быстрее скорости света. Но антиматерия также предмет нашей с вами реальности. Частицы антиматерии практически идентичны своим материальным партнерам, за исключением того, что переносят противоположный заряд и спин. Когда антиматерия встречает материю, они мгновенно аннигилируют в энергию, и это уже не вымысел.

Хотя бомбы из антиматерии и корабли на основе этого же топлива пока не представляются возможными на практике, есть много фактов об антиматерии, которые вас удивят или позволят освежить в памяти то, что вы уже знали.

Антиматерия должна была уничтожить всю материю во Вселенной после Большого Взрыва

Но мы существуем. И насколько знают физики, это потому, что на каждый миллиард пар материи-антиматерии была одна лишняя частица материи. Физики всеми силами пытаются объяснить эту асимметрию.

Антиматерия ближе к вам, чем вы думаете

Есть и другие источники антивещества, которые находятся ближе к нам. Бананы, например, вырабатывают антивещество, испуская один позитрон — антивещественный экивалент электрона — примерно раз в 75 минут. Это происходит потому, что бананы содержат небольшое количество калия-40, встречающегося в природе изотопа калия. При распаде калия-40 иногда рождается позитрон.

Наши тела тоже содержат калий-40, а значит, и вы излучаете позитроны. Антиматерия аннигилирует мгновенно при контакте с материей, поэтому эти частицы антивещества живут не очень долго.

Людям удалось создать совсем немного антиматерии

Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, едва ли наберут 15 нанограммов. В CERN на сегодняшний день произвели только порядка 1 нанограмма. В DESY в Германии — не больше 2 нанограммов позитронов.

Если вся антиматерия, созданная людьми, аннигилирует мгновенно, ее энергии не хватит даже на то, чтобы вскипятить чашку чая.

Проблема заключается в эффективности и стоимости производства и хранения антивещества. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллионов миллиардов киловатт-часов энергии и стоит выше миллиона миллиарда долларов. Неудивительно, что антивещество иногда включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире.

Существует такая вещь, как ловушка для антиматерии

Заряженные частицы антивещества, вроде позитронов и антипротонов, можно хранить в так называемых ловушках Пеннинга. Они похожи на крошечные ускорители частиц. Внутри них частицы движутся по спирали, пока магнитные и электрические поля удерживают их от столкновения со стенками ловушки.

Однако ловушки Пеннинга не работают для нейтральных частиц вроде антиводорода. Поскольку у них нет заряда, эти частицы нельзя ограничить электрическими полями. Они удерживаются в ловушках Иоффе, которые работают, создавая область пространства, где магнитное поле становится больше во всех направлениях. Частицы антивещества застревают в области с самым слабым магнитным полем.

Магнитное поле Земли может выступать в качестве ловушек антивещества. Антипротоны находили в определенных зонах вокруг Земли — радиационных поясах Ван Аллена.

Антиматерия может падать (в прямом смысле слова)

Наблюдать за гравитационным эффектом на примере антиматерии не так просто, как смотреть на падающее с дерева яблоко. Эти эксперименты требуют удержания антиматерии в ловушке или замедления ее путем охлаждения до температур чуть выше абсолютного нуля. И поскольку гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, физики должны использовать нейтральные частицы антиматерии в этих экспериментах, чтобы предотвратить взаимодействие с более мощной силой электричества.

Антиматерия изучается в замедлителях частиц

В кольцевых ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера частицы получают энергетический толчок каждый раз, когда завершают круг. Замедлители работают противоположным образом: вместо того чтобы разгонять частицы, их толкают в обратную сторону.

Нейтрино могут быть своими собственными античастицами

Проекты вроде Majorana Demonstrator и EXO-200 направлены на определение того, действительно ли нейтрино являются майорановскими частицами, наблюдая за поведением так называемого безнейтринного двойного бета-распада.

Некоторые радиоактивные ядра распадаются одновременно, испуская два электрона и два нейтрино. Если нейтрино были бы собственными античастицами, они бы аннигилировали после двойного распада, и ученым осталось бы наблюдать только электроны.

Поиск майорановских нейтрино может помочь объяснить, почем существует асимметрия материи-антиматерии. Физики предполагают, что майорановские нейтрино могут быть либо тяжелыми, либо легкими. Легкие существуют в наше время, а тяжелые существовали сразу после Большого Взрыва. Тяжелые майорановские нейтрино распались асимметрично, что привело к появлению крошечного количества вещества, которым наполнилась наша Вселенная.

Антиматерия используется в медицине

Ученые проекта ACE при CERN изучают антиматерию как потенциального кандидата для лечения рака. Врачи уже выяснили, что могут направлять на опухоли лучи частиц, испускающие свою энергию только после того, как безопасно пройдут через здоровую ткань. Использование антипротонов добавит дополнительный взрыв энергии. Эта техника была признана эффективной для лечения хомяков, только вот на людях пока не испытывалась.

Антиматерия может скрываться в космосе

Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) — это детектор частиц, который располагается на Международной космической станции и ищет такие частицы. AMS содержит магнитные поля, которые искривляют путь космических частиц и отделяют материю от антиматерии. Его детекторы должны обнаруживать и идентифицировать такие частицы по мере прохождения.

Столкновения космических лучей обычно производят позитроны и антипротоны, но вероятность создания атома антигелия остается чрезвычайно малой из-за гигантского количества энергии, которое требуется для этого процесса. Это означает, что наблюдение хотя бы одного ядрышка антигелия будет мощным доказательством существования гигантского количества антиматерии где-либо еще во Вселенной.

Люди на самом деле изучают, как оснастить космический аппарат топливом на антивеществе

Движение ракеты на антивеществе гипотетически возможно; основным ограничением является сбор достаточного количества антивещества, чтобы это могло осуществиться.

Пока не существует технологий для массового производства или сбора антивещества в объемах, необходимых для такого применения. Однако ученые ведут работы над имитацией такого движения и хранения этого самого антивещества. Однажды, если мы найдем способ произвести большое количество антивещества, их исследования могут помочь межзвездным путешествиям воплотиться в реальности.

Источник

Во Вселенной почти нет антиматерии. Почему?

Когда мы смотрим на Вселенную, на все ее планеты и звезды, галактики и скопления, газ, пыль, плазму, мы видим всюду одни и те же сигнатуры. Мы видим линии атомной абсорбции и эмиссии, видим, что материя взаимодействует с другими формами материи, видим звездообразование и смерть звезд, столкновения, рентгеновское излучение и многое другое. Есть очевидный вопрос, который требует объяснения: почему мы видим все это? Если законы физики диктуют симметрию между материей и антиматерией, Вселенная, которую мы наблюдаем, не должна существовать.

Вселенная таит в себе много загадок.

Но мы здесь, и никто не знает, почему.

Почему во Вселенной нет антиматерии?

Подумайте об этих двух противоречивых, на первый взгляд, фактах:

1. Каждое взаимодействие между частицами, которое мы когда-либо наблюдали при любых энергиях, никогда не создавало и не разрушало одну частицу материи, не создавая при этим и не уничтожая равное количество частиц аниматерии. Физическая симметрия между материей и антиматерией очень строгая, ведь:

• каждый раз, когда мы создаем кварк или лептон, мы также создаем антикварк и антилептон;
• каждый раз, когда кварк или лептон уничтожается, антикварк или антилептон также уничтожается;
• созданные или уничтоженные лептоны и антилептоны должны быть в балансе по всей семье летпонов и каждый раз, когда кварк или лептон взаимодействуют, сталкиваются или распадаются, общее число кварков и лептонов в конце реакции (кварки минус антикварки, лептоны минус антилептоны) должно быть и будет таким же, каким было в начале.

Единственный способ изменить количество материи во Вселенной подразумевал также изменение количества антиматерии на такую же величину.

И все же, есть второй факт.

1. Когда мы смотрим на Вселенную, на все звезды, галактики, газовые облака, скопления, сверхскопления и крупномасштабные структуры, кажется, будто все это состоит из материи, а не антиматерии. Везде и всюду, где антиматерия и материя встречаются во Вселенной, происходит фантастический выброс энергии из-за аннигиляции частиц.

Но мы не видим никаких признаков уничтожения вещества антивеществом в самых больших масштабов. Мы не видим никаких признаков того, что некоторые из звезд, галактик или планет, которые мы наблюдаем, сделаны из антивещества. Мы не видим характерных гамма-лучей, которые следовало бы ожидать увидеть, если бы антиматерия сталкивалась с материей и аннигилировала. Вместо этого всюду мы видим только материю, куда ни посмотри.

И это кажется невозможным. С одной стороны, нет никакого известного способа сделать больше вещества, чем антивещества, если обращаться к частицам и их взаимодействию во Вселенной. С другой стороны, все, что мы видим, определенно состоит из вещества, а не антивещества.

На самом деле, мы наблюдали аннигиляцию материи и антиматерии в некоторых экстремальных астрофизических условиях, но только возле гиперэнергетических источников, которые производят вещество и антивещество в равных количествах — черные дыры, например. Когда антивещество сталкивается с веществом во Вселенной, оно производит гамма-лучи очень специфических частот, которые можем затем обнаружить. Межзвездная межгалактическая среда полна материала, и полное отсутствие этих гамма-лучей является сильным сигналом о том, что никогда больше нет большого количества частиц антиматерии, поскольку тогда сигнатура материи-антиматерии была бы обнаружена.

Если вы бросите одну частичку антиматерии в нашу галактику, она просуществует порядка 300 лет, прежде чем будет уничтожена частицей материи. Это ограничение говорит нам, что в Млечном Пути количество антиматерии не может превышать значение 1 частицы на квадриллион (10 15 ), относительно общего количества материи.

Темная метерия и темная энергия в сравнении с остальным.

На крупных масштабах — масштабах спутниковых галактик, больших галактик размера Млечного Пути и даже скоплений галактик — ограничения менее строгие, но все же очень сильные. Наблюдая расстояния от нескольких миллионов световых лет до трех миллиардов световых лет, мы наблюдали недостаток рентгеновских и гамма-лучей, которые могли бы указывать на аннигиляцию материи и антиматерии. Даже в больших космологических масштабах 99,999% того, что существует в нашей Вселенной, определенно будет представлено материей (как мы), а не антиматерией.

Антиматерия важна для науки

Как же мы оказались в такой ситуации, что Вселенная состоит из большого количества материи и практически не содержит антиматерии, если законы природы абсолютно симметричны между материей и антиматерией? Что ж, есть два варианта: либо Вселенная была рождена с большим количеством материи, нежели антиматерии, либо что-то произошло на ранней стадии, когда Вселенная была очень горячей и плотной, и породило асимметрию материи и антиматерии, которой изначально не было.

Первую идею проверить научно без воссоздания целой Вселенной не получится, но вторая весьма убедительна. Если наша Вселенная каким-то образом создала асимметрию материи и антиматерии там, где изначально ее не было, то правила, которые работали тогда, останутся неизменными и сегодня. Если мы достаточно умны, мы сможем разработать экспериментальные тесты, раскрывающие происхождение материи в нашей Вселенной.

В конце 1960-х годов физик Андрей Сахаров определил три условия, необходимые для бариогенеза или создания большего количества барионов (протонов и нейтронов), чем антибарионов. Вот они:

1. Вселенная должна быть неравновесной системой.
2. В ней должны быть C- и CP-нарушение.
3. Должны быть взаимодействия, нарушающие барионное число.

Первое соблюсти просто, поскольку расширяющаяся и остывающая Вселенная с нестабильными частицами в ней (и античастицами), по определению, будет вне равновесия. Второе тоже просто, поскольку C-симметрия (замена частиц античастицами) и CP-симметрия (замена частиц зеркально отраженными античастицами) нарушаются во множестве слабых взаимодействий с участием странных, очарованных и прекрасных кварков.

Остается вопрос, как нарушить барионное число. Экспериментально мы наблюдали, что баланс кварков к антикваркам и лептонов к антилептонам явно сохраняется. Но в Стандартной модели физики элементарных частиц не существует явного закона сохранения ни для одной из этих величин по отдельности.

Нужно три кварка, чтобы сделать барион, поэтому на каждые три кварка мы назначаем барионное число (B) 1. Точно так же каждый лептон получит лептонное число (L) 1. Антикварки, антибарионы и антилептоны будут иметь отрицательные числа B и L.

Но по правилам Стандартной модели сохраняется только разница между барионами и лептонами. При правильных обстоятельствах вы можете не только создавать дополнительные протоны, но и электроны к ним. Точные обстоятельства неизвестны, но Большой Взрыв дал им возможность реализоваться.

Самые первые этапы существования Вселенной описываются невероятно высокими энергиями: достаточно высокими, чтобы создать каждую известную частицу и античастицу в большом количестве по знаменитой формуле Эйнштейна E = mc 2 . Если создание и уничтожение частиц работает так, как мы думаем, ранняя Вселенная должна была быть заполненной равным количеством частиц материи и антиматерии, которые взаимно превращались друг в друга, поскольку доступная энергия оставалась чрезвычайно высокой.

Схематичное изображение нестабильных частиц.

По мере расширения и охлаждения Вселенной нестабильные частицы, однажды созданные в изобилии, будут разрушаться. При соблюдении правильных условий — в частности, трех условий Сахаров — это может привести к избытку вещества над антивеществом, даже если изначально его не было. Задача для физиков — создать жизнеспособный сценарий, соответствующий наблюдениям и экспериментам, который может дать вам достаточный избыток вещества над антивеществом.

Существует три основных возможности возникновения этого избытка вещества над антивеществом:

• Новая физика в электрослабом масштабе может значительно увеличить количество C- и CP-нарушения во Вселенной, что приведет к асимметрии между веществом и антивеществом. Взаимодействия Стандартной модели (через процесс сфалерона), которые нарушают B и L индивидуально (но сохраняют B — L), могут создать нужные объемы барионов и лептонов.
• Новая физика нейтрино при высоких энергиях, на которую нам намекает вселенная, могла бы создать фундаментальную асимметрию лептонов: лептогенез. Сфалероны, сохраняющие B — L, затем могли бы использовать лептонную асимметрию для создания барионной асимметрии.
• Или бариогенез в масштабах теории великого объединения, если новая физика (и новые частицы) существуют в масштабах великого объединения, когда электрослабая сила объединяется с сильной.

У этих сценариев есть общие элементы, поэтому давайте рассмотрим последний из них, просто ради примера, чтобы понять, что могло произойти.

Теория великого объединения

Если теория великого объединения верна, должны быть новые, сверхтяжелые частицы, называемы X и Y, которые обладают как барионоподобными, так и лептоноподобными свойствами. Также должны быть их партнеры из антиматерии: анти-X и анти-Y, с противоположными числами B — L и противоположными зарядами, но с одной массой и временем жизни. Эти пары частица-античастица могут быть созданы в большом количестве при достаточно высоких энергиях, чтобы впоследствии распасться.

Итак, мы наполняем Вселенную ими, а затем они распадаются. Если же у нас есть C- и CP-нарушения, возможно, будут небольшие различия в том, как распадаются частицы и античастицы (X, Y и анти-X, anti-Y).

Если у X-частицы есть два пути: распад на два верхних кварка или на два анти-нижних кварка и позитрон, тогда anti-X должен пройти два соответствующих пути: два анти-верхних кварка или нижний кварк и электрон. Есть важное различие, которое допускается при нарушении C- и CP: X может с большей вероятностью распасться на два верхних кварка, чем анти-X — на два анти-верхних кварка, тогда как анти-X с большей вероятностью распадется на нижний кварк и электрон, чем X — на анти-верхний кварк и позитрон.

При наличии достаточного числа пар и распада таким образом, вы сможете легко получить избыток барионов над антибарионами (и лептонов над антилептонами), где его раньше не было.

Это лишь один пример, иллюстрирующий наше представление о том, что произошло. Мы начали с полностью симметричной Вселенной, подчиняющейся всем известным законам физики, и с горячего, плотного, богатого состояния, наполненного материей и антиматерией в равных количествах. С помощью механизма, который нам еще предстоит определить, подчиняющийся трем условиям Сахарова, эти естественные процессы в конечном итоге создали избыток вещества над антивеществом.

Тот факт, что мы существуем и состоит из материи, неоспорим; вопрос в том, почему наша Вселенная содержит что-то (материю), а не ничего (ведь вещества и антивещества было поровну). Возможно, в этом столетии мы найдем ответ на этот вопрос.

Как думаете, почему во Вселенной почти нет антивещества? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

Источник