10. Частицы из зазеркалья

    В теории Большого взрыва есть проблемы. Как отмечалось выше, в первые мгновения после Большого взрыва, в период Великого объединения, у всех частиц нет масс, и характер их взаимодействий между собой одинаков. В этот момент Вселенная была симметричной: число частиц и античастиц было абсолютно одинаковым. Однако мы живём в материальном мире, состоящем из вещества. Почему?

10.1. Другое состояние вещества

    Является ли типичным для Вселенной то состояние вещества, которое существует на нашей планете и в её окрестностях? “Наши” атомы состоят из нуклонов – протонов, заряженных положительно, нейтральных частиц – нейтронов, упакованных в ядра, и отрицательных электронов, расположенных на внешних оболочках вокруг ядра. Вещества из антиатомов вблизи нас – нет.
    Однако, сомнение в исключительности нашего материального мира зародились после предсказания англичанина П. Дирака о возможности существования электрона с положительным зарядом. Такая частица – позитрон – действительно был открыт в 1932 г. в экспериментах К. Андерсона с космическими лучами в камере Вильсона. За это открытие К. Андерсон получил Нобелевскую премию.
    До К. Андерсона позитроны видел в камере Вильсона Д. Скобельцын в конце 30-х. Но он не опубликовал этих результатов. Почему? Может из-за того, что треки позитронов и электронов в магнитном поле очень похожи? Ведь эти частицы отличаются только электрическим зарядом…
   Надо отметить, что изучение космических лучей в середине ХХ века сопровождалось фейерверком открытий новых элементарных частиц. В 1936 г. были открыты мюон – мю-мезон (^-) и его античастица - ⁺, а в 1947 г. – отрицательный и положительный пионы (⁺, ^-). Затем, уже на ускорителях, в 1955 г. и 1956 г., были обнаружены отрицательные “кирпичики” ядра – антипротон и антинейтрон. Ну, а сейчас мы знаем, что практически у всех известных частиц есть их античастицы.
    Нобелевскому лауреату – П. Дираку принадлежат слова о том, что и Земля, и Солнечная система, преимущественно населённая отрицательными электронами и положительными протонами, скорее случайность, а не закономерность во Вселенной. Возможно, другие звёзды и галактики состоят из антиматерии. Поэтому обнаружение античастиц в космических лучах стало популярной, если не навязчивой идеей среди космиков.
    Вместе с тем, из господствовавших до середины 60-х годов представлений в физике элементарных частиц об эквивалентности ядерных взаимодействий между нуклонами (протонами и нейтронами) и антинуклонами (антипротонами и антинейтронами) следует существование ядер из антинуклонов – антиядер – кирпичиков, из которых состоит антивещество.
Вещество и антивещество не могут существовать вместе – они аннигилируют. Взаимодействие электронов и позитронов приводит к образованию гамма-квантов, а нуклонов и антинуклонов – к образованию нейтральных пионов (⁰). Эти частицы нестабильны и распадаются на гамма-кванты с довольно значительной энергией – более 70 МэВ.
    Так существует ли антивещество во Вселенной? Если – нет, то почему? Почему исчезла симметрия мира? Безусловно, это исключительно актуальные вопросы астрофизики.
    Поиски античастиц в космических лучах – это способ доказать присутствие антивещества во Вселенной. В течение многих лет попытки найти их были безуспешными. Вопрос об антимирах оставался открытым. К тому же, в 1967 г. А. Сахаров и В. Кузьмин в 1970 г. публикуют работы, действительно ставившие под сомнение саму возможность наблюдения антивещества в современной Вселенной.
    Для пояснений вновь необходимо вернуться к Большому взрыву.
    На самых начальных стадиях эволюции Вселенной количество вещества и антивещества, или барионов и антибарионов, было равным. Затем, во время начала сверхбыстрого расширения Вселенной, когда она вышла из состояния теплового равновесия, возник совсем небольшой, оцениваемый в 10^-9-10^-10 дисбаланс между веществом и антивеществом в пользу вещества – Вселенная приобрела так называемый барионный заряд.
    Возникновение барионного заряда Вселенной – бариогенеза – требовало, по Сахарову, немалого: ограничения времени жизни протона (нестабильности!), считавшейся одной из долгоживущих частиц. Кроме того, в теории накладывались особые условия, связанные с симметрией частиц (СР-инвариантность). Свидетельства в пользу симметрии частиц нашли своё подтверждение в экспериментах на К-мезонах. Что же касается нестабильности протона, скорее его стабильности, то следует заметить, что в настоящее время она оценивается никак не меньше, чем 10³² лет, что в 10²² раз превышает возраст Вселенной!!
    Вслед за моментом появления крохотного дисбаланса всё остальное вещество и антивещество исчезло – оно аннигилировало друг с другом, а тот первичный остаток и стал исходным материалом для современной Вселенной. Тепловое равновесие Вселенной восстановилось, но асимметрия вещества и антивещества осталась. Поэтому мы живём в мире, состоящем из вещества.
    Справедливости ради надо отметить, что существует и другая точка зрения на эту проблему, а именно: Вселенная была асимметричной по отношению к частицам и античастицам с самого начала - с исходного момента Большого взрыва. Но вернемся к экспериментам…

10.2. Погоня за антивеществом

    Поиски космических античастиц продолжались. Удача улыбнулась Э. Богомолову из Ленинградского Физико-технического института в 1969-1971 гг. Используя магнитный спектрометр, он в ходе стратосферных полётов на аэростатах зарегистрировал первые антипротоны.
    Какой информацией об античастицах из космоса мы обладаем сейчас?

Рис. 10.1. Энергетические спектры антипротонов по данным разных экспериментов (верхняя панель). Здесь же показан ожидаемый спектр антипротонов по измерениям с помощью “Памелы” после трёх лет наблюдений. Точечная кривая – модель аннигиляции суперсимметричных нейтралино. На нижней панели показаны энергетические зависимости отношения потока позитронов (е+) к суммарному потоку электронов и позитронов (е++е-). Избыток позитронов при энергиях >10 Гэв может свидетельствовать в пользу существования тёмной материи.

Рис.10.2. Эмиссия гамма-излучения в районе массивной чёрной дыры в центре Галактики по данным космической гамма-обсерватории CGRO. Джеты излучения, наблюдающиеся на снимке, могут быть результатом аннигиляции позитронов и электронов с энергией 511 кэВ. Источником этих частиц может быть тёмное вещество, состоящее, возможно, из WIMP’ов. Они свидетельствуют о мощном процессе аннигиляции электронов и позитронов центре Галактики.

    Результаты можно видеть на рис.10.1. Эксперименты по измерению античастиц проводились до сих пор лишь на аэростатах, на высотах около 40 км, в течение времени не более суток. Этим объясняется небольшая статистика в области больших энергий. Основной вывод, который следует из всех осуществлённых экспериментов, это то, что наблюдаемые антипротоны и позитроны являются вторичными продуктами взаимодействия космических лучей с межзвёздной средой и с земной атмосферой. Действительно, антипротоны и позитроны могут появиться в результате взаимодействия “обычных” космических лучей с веществом межзвёздной среды. Поэтому факт их регистрации в космосе ещё не является прямым доказательством существования антиматерии. Могут ли существовать в природе частицы в первозданном виде, т.е. достигшие Солнечной системы и окрестностей Земли, не испытав взаимодействий с межзвёздной средой? Это - большой вопрос для физики космических лучей и, как мы увидим далее, на него пока нет ответа…
        Каков же итог наблюдений? Вот он: как на Земле, так и в ближнем космическом пространстве отсутствует сколь-нибудь заметное количество антивещества. Позитроны наблюдаются, но их присутствие вполне можно объяснить столкновением других частиц. То же самое применимо к антипротонам – они появляются в результате взаимодействия первичных космических лучей либо с межзвёздной средой, либо с атмосферой. Но этот вывод справедлив лишь до определённых энергий. Что будет в области больших энергий, мы не знаем. Будущие исследования позитронов и антипротонов при высоких энергиях (более ~10 ГэВ) действительно могут иметь важное значение. Потому, что именно в этой области энергий может наблюдаться существенный избыток этих античастиц из-за присутствия WIMP’ов, – частиц тёмной материи.
    Уже упоминалось, что WIMP’ами могут быть парные нейтралино. При их аннигиляции и возникают антипротоны и позитроны. Поэтому измерение позитронов и антипротонов в области высоких энергий может оказаться ключом к разгадке природы тёмной материи.
    Интересно заметить, что ещё одним мощным источником позитронов в нашей Галактике может быть чёрная дыра, расположенная в её центре. Действительно, космическая гамма-обсерватория CGRO зарегистрировала поток излучения – гамма-квантов – из центра нашей Галактики (рис. 10.2), который может эмитироваться в результате аннигиляции позитронов и электронов. Возможно, существует дополнительный поток античастиц в результате экзотического процесса аннигиляции суперсимметричных нейтралино, но, чтобы это доказать, нужны дальнейшие измерения в области высоких энергий.
    Если всё же предположить, что во Вселенной существуют протяжённые области антивещества, то они не могут быть расположены ближе, чем на расстояниях ~10 мегапарсек. Если бы антивещество находилось ближе, то мы должны были бы наблюдать значительный поток гамма-излучения, возникающий в результате аннигиляции вещества и антивещества. Однако, такого излучения – нет. С другой стороны, если вещество и антивещество отделены друг от друга во Вселенной, следовало бы ожидать существование неоднородностей в спектре реликтового излучения (см. рис.7.3). А оценка таких “пустот” во Вселенной из неоднородностей спектра реликтового излучения приводит к их размерам до 15 мегапарсек, что делает картину о разделении вещества и антивещества малореалистичной.

Рис. 10.3. В будущий эксперимент AMS-02 на Международной космической станции входит ряд сложнейших приборов и сверхпроводящий криогенный магнит. Их сочетание позволит не только измерить с большой точностью частицы различных масс и энергий, но и, возможно, найти следы антивещества во Вселенной – антипротонов и антигелия. Наличие магнита позволяет сепарировать частицы по заряду: так, например, для электронов и позитронов траектории будут искривлены в разные стороны, что делает возможным разделение сигналов от них в “позиционно-чувствительном” детекторе-трекере. Другие детекторы обеспечивают разделение частиц по массам, энергиям и скоростям.

    Тем не менее – это всё лишь модельные предположения. Нужны более точные эксперименты, чтобы доказать отсутствие антивещества во Вселенной. Или присутствие? Наверное, последнее предположение пока нельзя полностью исключить.
    Основной недостаток аэростатных экспериментов в их малой продолжительности, что не даёт возможности экспериментаторам продвинуться в область высоких энергий. Выход – в космических экспериментах по поиску антивещества. Спутники позволят осуществить более длительные эксперименты и, что очень важно, – выйти за пределы атмосферы, т.е. избавиться от компоненты антивещества, вызванной взаимодействием космических лучей с атмосферными ядрами.
    Однозначным свидетельством в пользу существования антивещества во Вселенной могло бы явиться наблюдение антигелия в космических лучах. Антигелий и другие антиядра могут возникать в результате термоядерных реакций в антизвёздах, – аналогично тем, что протекают в обычных звёздах. Кроме того, антигелий мог остаться после Большого взрыва – на этот счёт есть теоретические расчёты.
    Сейчас готовятся к реализации два космических эксперимента, направленных на поиски антивещества в космическом пространстве: PAMELA и AMS-02. В основе обоих – магнитные спектрометры, позволяющие селектировать частицы по знаку их заряда. Если в PAMELA используется постоянный магнит, то в AMS-02 – сверхпроводящий со значительно большей величиной магнитной индукции (рис.10.3). В этих сложных приборах используются различные детекторы ядерных излучений, позволяющие разделять частицы по массам, скоростям и энергиям. Возможности спектрометра PAMELA в части регистрации антипротонов, позитронов и электронов показаны на рис.10.1. По сравнению с экспериментом PAMELA, AMS-02 будет иметь ещё большую светосилу, что позволит в ещё дальше продвинуться по шкале энергий и снизить порог чувствительности по регистрации антигелия.
    Пройдёт совсем немного времени и, возможно, мы станем свидетелями закрытия проблемы существования антивещества в современной Вселенной.
    А может прав поэт: