"Зеркальная вселенная" выглядит так же, как и наша

Публикуется в разделе "Наука и технологии"

08.11.2015. В чем разница между веществом и антивеществом? Новые исследования не нашли никакой разницы. Ученые, работающие с коллайдером тяжелых релятивистских ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории, обнаружили, что протоны антивещества или антипротоны ведут себя так же, как и их "собратья" из обычного вещества, когда они находятся достаточно близко друг к другу и связаны между собой с помощью так называемого сильного взаимодействия, связывающего протоны и нейтроны в атомных ядрах.

Антивещество, по сути, это вещество, в котором субатомные частицы (протоны и электроны) имеют заряды, противоположные соответствующим частицам обычного вещества. В обычном веществе, например, протоны заряжены положительно, а электроны несут отрицательные заряды. В антивеществе антипротоны заряжены отрицательно, а антиэлектроны (позитроны) заряжены положительно. При соприкосновении антивещества с обычным веществом они взаимоуничтожаются, выделяя энергию в виде гамма-излучения.

Одной из самых больших загадок в современной физике считается то, почему Вселенная состоит из вещества, и в ней практически нет антивещества. Согласно большинству теорий, описывающих происхождение Вселенной, при Большом Взрыве, произошедшем примерно 13,8 миллиардов лет назад, должно было быть создано равное количество вещества и антивещества. И если бы такое действительно произошло, то мира, которого мы знаем, не существовало бы. Вместо этого вся Вселенная была бы заполнена излучением, поскольку вещество и антивещество уничтожили бы друг друга. Но, как говорят ученые, по какой-то неизвестной причине вещества образовалось чуть-чуть больше, чем антивещества, и после начального взаимоуничтожения, из оставшегося излишка вещества образовалось все то, что мы сегодня наблюдаем.

"Это нерешенная головоломка",– говорит Эйонг Тан, физик из Брукхейвенской лаборатории.– "Если бы антипротоны взаимодействовали иначе, чем протоны, это могло бы стать фактором, который необходимо принять во внимание".

Для изучения этих взаимодействий и поиска различий в поведении антивещества и вещества физики использовали RHIC, чтобы создать антивещество. Если вещество и антивещество повели бы себя по-разному, то это могло бы дать некоторые ответы на вопрос о том, почему во Вселенной доминирует обычное вещество. (Астрономы искали области Вселенной,  в которых могло бы преобладать антивещество, оставшееся от ранней Вселенной. Если такие области существуют, то на границах областей с преобладанием антивещества и вещества до сих пор наблюдалось бы гамма-излучение, хотя наблюдения космического телескопа "Чандра" и гамма-обсерватории в Комптоне, похоже, исключают такую возможность).

Согласно теории CP-симметрии, антивещество выглядит как вещество, и кусок антижелеза или облако антиводорода должны вести себя так же, как и их "коллеги" из обычного вещества. Нарушения этой симметрии будет означать, что это не так. Эксперимент на RHIC показал, по крайней мере, для протонных пар, что никакого нарушения  CP-симметрии нет. Это означает, что  феномен доминирования во Вселенной вещества не был вызван какими-то особыми свойствами взаимодействия антипротонов.

В других экспериментах были найдены доказательства нарушений CP-симметрии в более экзотических частицах, таких как каоны или B-мезоны, но их недостаточно для объяснения преобладания вещества над антивеществом.

Для измерения взаимодействия антипротонов ученые столкнули ядра золота друг с другом почти со скоростью света. При столкновении ядер они произвели "дождь" субатомных частиц, среди которых имелись пары антипротонов.

Обычно протоны, несущие одинаковый электрический заряд, отталкиваются друг от друга, но когда они находятся достаточно близко, эти силы становятся менее важными, чем сильное ядерное взаимодействие, которое связывает антипротоны вместе так же, как и протоны. Эта часть эксперимента соответствовала ожиданиям.

"Мы эффективно создали антигелий-2",– говорит Тан.

Обычный гелий, или гелий-4, состоит из двух протонов и двух нейтронов, в то время как ядро гелия-2 состоит всего из двух протонов без нейтронов.  

И антигелий-2, и гелий-2 нестабильны и быстро распадаются. Тем не менее, антигелий-2 продержался достаточно долго, чтобы ученые успели измерить взаимодействие антипротонов. Эксперимент подтвердил, что антипротоны взаимодействуют между собой точно так же, как и протоны.

Эксперимент подтверждает теорию CPT-симметрии – расширенный вариант CP-симметрии, включающий в себя время. Согласно CPT-симметрии, если поменять заряды на противоположные, а время повернуть вспять, то физические законы этой "зеркальной Вселенной"  и нашей Вселенной будут выглядеть одинаково. 

Есть случаи, когда эта симметрия нарушается, но, как отмечает Тан, в случае антивещества  или по крайней мере частиц, которые исследовались в данном эксперименте, такого нарушения нет.  

Источник: livescience.com