Если существует отрицательное электричество, то почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, с той же точкой плавления и с таким же спектром?
Артур Шустер (1898)
Астрономические наблюдения последних лет убедительно свидетельствуют, что наша Галактика Млечный путь обильно населена антивеществом, или антиматерией. Античастицы по своим свойствам противоположны нашей материи ― обычным элементарным частицам. Открытие антивещества считается одним из важнейших событий в физике XX в. А что известно об антиматерии сегодня? Рассказывает Александр Дмитриевич Долгов ― доктор физико-математических наук, профессор, директор Центра астрофизики и физики частиц Новосибирского государственного университета.
Александр Дмитриевич Долгов ― доктор физико-математических наук, профессор, директор Центра астрофизики и физики частиц Новосибирского государственного университета. С 1996 г. профессор Центра теоретической астрофизики в Копенгагене С 2000 г. профессор Феррарского филиала Итальянского института ядерных исследований. С 2006 г. профессор Университета Феррары. В 2011 г. создал и возглавил лабораторию космологии и физики элементарных частиц в Новосибирском государственном университете (в рамках правительственного мегагранта).
― Что такое антиматерия?
― Как предсказывает квантовая теория поля, и мы также видим это в экспериментах, практически для каждой элементарной частицы существует своя античастица. Например, для протона это антипротон ― частица с той же массой и тем же собственным моментом вращения, или спином. У протона и антипротона все одинаково за исключением электрического заряда, который имеет противоположный знак. Но существуют и такие «самодостаточные» частицы, которые не имеют античастиц. Это, например, полностью нейтральные фотон, гравитон или пи-мезон, для которых нет пары. Пожалуй, наиболее известная пара частицы и античастицы, то есть материи и антиматерии, это электрон и позитрон. Позитрон был первой в истории предсказанной и обнаруженной античастицей. Теоретическое обоснование существования позитрона впервые сделал Поль Дирак в 1928 г. Через три года эту античастицу в эксперименте впервые обнаружил американский физик Карл Андерсон.
Частицы и античастицы имеют равные массы и времена жизни и равные по абсолютной величине значения всех присущих им зарядов, однако с противоположными знаками.
― И до сих пор, насколько я знаю, позитрон остается античастицей, которую мы лучше всего умеем получать в эксперименте.
― Да. Интересно, что позитрон имеет очень небольшую массу: она в 2 тыс. раз меньше, чем масса протона. Поэтому позитроны рождаются в столкновениях частиц без больших проблем. Они также рождаются, пусть и в небольшом количестве, в космических лучах. Из центра нашей Галактики исходит колоссальный и неожиданно высокий поток позитронов. Впервые это было обнаружено на русско-итальянском спутнике «Памела» около десяти лет назад, а затем повторено с большей точностью на антиметр-спектрометре космической станции «Мир». Частицы и античастицы аннигилируют, выделяя очень большое количество энергии. Если взять и проаннигилировать, например, один грамм протонов и один грамм антипротонов, то такая двухграммовая субстанция выделит примерно столько же энергии, сколько дает атомная бомба.
Понятия «антивещество» и «антиатом» впервые использовал английский физик Артур Шустер. В 1898 г. он предположил возможность существования такой необычной материи. Его работа была опубликована в журнале Nature. Источник фото: Уильям Орпен, «Википедия», общественное достояние.
― Можно ли сказать, что вся наша материя появилась в каком-то смысле благодаря ошибке? Ведь, как известно, в ранней Вселенной на каждый миллиард частиц и миллиард античастиц, которые взаимно уничтожали друг друга, приходилась всего одна лишняя частица материи и в результате этой «погрешности» появился весь наблюдаемый нами мир.
― Я бы сказал, что это произошло не из-за ошибки, а в результате действия некоего динамического механизма. Этот механизм был описан А.Д. Сахаровым в 1967 г. Идея состояла в том, что взаимодействия частиц и античастиц немного различны и за счет этого различия при расширении Вселенной возник избыток частиц относительно античастиц. Основная доля частиц космической плазмы, состоящая из частиц и античастиц, проаннигилировала, и, таким образом, вся сегодняшняя материя состоит из этого небольшого избытка, превалирования частиц над античастицами в ранней Вселенной. Вообще, есть разные теории. В некоторых из них существует избыток частиц, а в других, напротив, ― избыток античастиц. Не исключено даже, что во Вселенной могут существовать большие и разделенные между собой домены вещества и антивещества.
― Галактики из антивещества? Интересно!
― Да. Возможно, даже не галактики, а целые группы галактик, которые находятся очень далеко от нас, на расстоянии миллиардов световых лет.
― То есть проаннигилировать с нами в обозримом будущем они не могут?
― К счастью, нет. Каноническая схема говорит нам, что существуют скопления галактик, состоящие целиком из материи или из антиматерии, но они, как я уже сказал, находятся очень далеко друг от друга. Наблюдения последних лет убедительно свидетельствуют, что наш Млечный Путь обильно населен антивеществом. Это открытие стало настоящей сенсацией для ученых. Никто, кроме нас, этого не предвидел и не верил, что такое вообще возможно. Мы с коллегами предсказывали существование таких объектов еще в 1993 г., дальнейшее развитие эта идея получила в 2009 г. Буквально полгода назад были открыты объекты, которые, как пишут сами авторы, по-видимому, представляют собой антизвезды. Эти звезды находятся в облаке нашего галактического газа. Плотность такого галактического газа ― примерно один протон на кубический сантиметр, что и позволило астрономам наблюдать процессы аннигияции протонов с антипротонами в этих звездах по электромагнитному излучению высокой энергии. Протоны из межзвездного газа падают на поверхность этой звезды, аннигилируют и испускают фотоны с энергией около 500 млн эВ. Возникают несколько фотонов высокой энергии, происхождение которых в обычном случае было бы неясно. В своей работе авторы говорят об избыточном излучении таких энергичных фотонов, естественным объяснением которого может быть то, что звезда состоит из антиматерии.
Согласно нашим исследованиям, антизвезд в Галактике может быть довольно много, поскольку процесс аннигиляции там довольно слабый. В принципе, на антизвезду можно направить телескоп и изучить ее. Есть способы определить, что перед нами именно антизвезда, а не что-то другое: у такой звезды должен быть необычный химический состав и т.д. Но упомянутые мною ученые пока это не искали. Они просто просканировали все небо и обнаружили вот такие интересные подозрительные объекты.
А.Д. Сахаров в 1967 г. предложил красивое динамическое объяснение наблюдаемому избытку вещества над антивеществом. Три принципа Сахарова (ни один не обязателен): несохранение барионного числа, различие взаимодействий частиц и античастиц, нарушение C- и CP-инвариантности, а также отклонение от теплового равновесия. Фото: архив «Научной России».
― Почему барионная асимметрия не наблюдается на Большом адронном коллайдере, почему не рождается эта лишняя частица материи на миллиард частиц и античастиц, как было в ранней Вселенной?
― На Большом адронном коллайдере происходит столкновение частиц с энергией порядка тераэлектронвольт ― то есть с энергией, в тысячу раз превышающей энергию покоя протона. Хотя в классических схемах, где происходит эта генерация частиц над античастицами, должны быть задействованы энергии колоссально бóльшие. При низких энергиях количество барионов минус количество антибарионов остается прежним, не меняется. Чтобы сгенерировать лишнюю частицу, нужны гораздо более высокие энергии. Энергии БАК для этого просто недостаточно ― она должна быть в 10 млрд раз выше! Только тогда эта лишняя частица материи может родиться. Правда, существуют и другие схемы, где рождение лишних частиц материи возможно и при более низких энергиях, но они все равно должны быть на порядок выше, чем те, что есть сегодня на БАК.
― Как далеко в прошлое уже смог заглянуть Большой адронный коллайдер?
― Это момент времени, который примерно в миллион раз короче, чем миллионная доля секунды. Это время существенно короче, чем хорошо известная эпоха первичного нуклеосинтеза, но несравненно длиннее, чем момент времени, когда возникала разница между количеством вещества и антивещества.
По оценкам NASA, антивещество ― самая дорогая субстанция на Земле. Так, производство одного миллиграмма позитронов может стоить не менее $25 млн. На фото: первое в истории наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх, — трек позитрона. Источник изображения: Carl D. Anderson (1905–1991) — Anderson, Carl D. (1933). "The Positive Electron". Physical Review 43 (6): 491–494. «Википедия», общественное достояние.
― Образование антизвезд, антиобъектов в вашей модели описывается как побочный результат рождения первичных черных дыр. Расскажите, пожалуйста, подробнее о своих исследованиях.
― Наша теория предсказывает существование так называемых первичных черных дыр, которые образовались в очень ранней Вселенной — возрастом одна десятитысячная доля секунды после Большого взрыва. Мы предсказали спектр масс этих первичных черных дыр (то есть количество этих черных дыр как функцию массы) ― так называемый логнормальный спектр, который прекрасно согласуется с наблюдательными данными. Кстати, это единственный спектр черных дыр, который проверяется экспериментом.
─ А как именно эти первичные черные дыры связаны с антиматерией?
― Дело в том, что, согласно нашей теории, одновременно с этими ранними черными дырами образовалось небольшое количество компактных антизвезд. В галактиках нашей Вселенной сейчас видно очень много странных звезд, которые вполне могут быть антизвездами. Они имеют очень высокую скорость движения. Выглядит это так, будто такие звезды не были рождены в этой галактике, а «забежали» в нее ненадолго и уже «убегают»: то есть они не удерживаются гравитационным полем галактики и собственным гравитационным полем.
Согласно нашей теории, благодаря одному и тому же механизму можно родить и черные дыры, и антизвезды. Как я уже говорил, эта схема хорошо согласуется с экспериментом, и для меня это очень сильный аргумент в пользу того, что наша модель может быть правильной. Данные, что мы получаем, многообещающие, но вопросов пока еще очень много.
─ Антизвезды, галактики из антивещества… А антижизнь возможна? Антилюди?
― Очень хороший вопрос. Думаю, скорее всего, да. Двойная спираль ДНК, по-видимому, одинакова и для вещества, и для антивещества. Если какие-то различия и есть, то они, вероятно, совершенно ничтожны. Я думаю, что жизнь и антижизнь были бы практически неразличимы.
Антимиры ― это не просто набор античастиц, а звездные и планетные системы, то есть места, где в принципе могла бы быть антижизнь. Античастицы, вне всякого сомнения, существуют, но остается неизвестным, существуют ли во Вселенной антимиры. На этот счет сегодня единого мнения нет.
Позитронный луч от пульсара PSR J2030+4415. В 2022 г. рентгеновская обсерватория NASA Chandra сфотографировала пучок материи и антиматерии длиной около 60 трлн км, который породил пульсар. Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal. Источник изображения: M. de Vries / NASA / CXC / Stanford Univ.
─ Как вы считаете, а мы вообще когда-нибудь сможем узнать, что было до инфляционной стадии, которая, как предполагают, предшествовала горячему Большому взрыву?
― Вы знаете, люди пишут статьи о том, что могло быть до инфляции и как это можно обнаружить. Но дело в том, что эта расширяющаяся пустота как бы все замывает, не оставляя нам ничего. Однако, по мнению А.А. Старобинского, инфляция имеет так называемые волосы, или дополнительные характеристики, которые, может быть, и удастся когда-нибудь увидеть. Но это все модельно-зависимо, то есть ответ зависит от конкретной формы теории и может быть различным. Пустота размазалась, и никаких следов прошлого у нас нет. Думаю, Алексей Александрович говорит правильно, он квалифицированный человек и в таких вещах не должен ошибаться. Но я все-таки буду настаивать, возможно, и ошибочно, что это модельно-зависимая вещь.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.
Фото на главной странице сайта: фотобанк 123RF.
Источник портрета А.Д. Долгова в тексте: стоп-кадр видеозаписи интервью «Научной России» с А.Д. Долговым
