Antimateria är som ett ämne på alla sätt. De bildades samtidigt och från en källa. Som ett resultat finns det mycket, och det finns praktiskt taget ingen annan. Det måste finnas någon förklaring till detta.
Allt vi kommer i kontakt med i vårt liv består av materia. Koppen som vi håller i handen består av molekyler, molekyler - av atomer, atomer, i motsats till deras namn ("atom" på grekiska betyder "odelbar") - av elektroner, protoner och neutroner. De två sista kallas "baryoner" av forskare. De kan delas vidare, i kvarkar och kanske ännu längre, men för tillfället kommer vi att fortsätta med detta. Tillsammans bildar de materia.
Som alla våra läsare vet har materien en antipode - antimateria. När de kommer i kontakt förintas de med frisläppandet av en mycket stor energi - de fördärvar. Enligt fysikernas beräkningar kan en bit antimateria på en tegelstorlek som träffar jorden orsaka en effekt som är en explosion av en vätebomb. I alla andra avseenden är antipoderna likadana: antimaterialet har massa, fysiklagarna gäller fullt ut på det, men dess elektriska laddning är motsatt. För ett antiproton är det negativt, och för en positron (antielektron) är det positivt. Och antimateria förekommer praktiskt taget inte i verkligheten kring oss.
Sökningen efter antimateria
Eller är det någonstans där? Det finns inget omöjligt i ett sådant antagande, men vi lever i världen, även om vi inte kan skaka hand med våra antipoder. Det är mycket möjligt att de också bor någonstans.
Förmodligen alla galaxer som observeras idag består av vanlig materia. Annars skulle deras gränser vara en zon med nästan kontinuerlig förintelse med det omgivande materialet, det skulle vara synligt på avstånd. Jordobservatorier skulle registrera energikvanta som bildades under förintelsen. Tills detta händer.
Bevis på närvaron i universum av märkbara mängder antimateria kan vara upptäckten någonstans i rymden (på jorden, på grund av den höga materialtätheten, är det uppenbart värdelöst att leta efter antiheliumkärnor). Två antiprotoner, två antineutroner. Antipartiklarna som utgör en sådan kärna produceras regelbundet vid kollisioner av högenergipartiklar i markbundna acceleratorer och naturligtvis när materien bombarderas av kosmiska strålar. Deras upptäckt berättar ingenting. Men antihelium kan bildas på samma sätt om fyra av dess beståndsdelar samtidigt föds på ett ställe. Detta kan inte kallas helt omöjligt, men en sådan händelse i hela universum händer ungefär var femton miljarder år, vilket är ganska jämförbart med tiden för dess existens.
Kampanjvideo:
Förberedelser för att lansera en ballong med en rymdpartikeldetektor som en del av BESS-experimentet. Detektorn är synlig i förgrunden och väger 3 ton. / & kopia; i.wp-b.com
Därför kan detektering av antihelium mycket väl betraktas, om inte som en hälsning från antipoderna, då som bevis på att någonstans i djupet av rymden flyter en bit antimateria av anständig storlek. Så det flög därifrån.
Tyvärr har upprepade försök att söka efter antihelium i de övre lagren av jordatmosfären eller på väg mot det ännu inte lett till framgång. Naturligtvis är detta fallet när "frånvaron av spår av krutt på händerna inte bevisar något." Det kan vara så att det bara var väldigt långt att flyga (i storleksordningen miljarder ljusår), och att komma in i en liten detektor på en liten planet är ännu svårare. Och säkerligen, om detektorn var mer känslig (och dyrare), skulle våra chanser att lyckas bli högre.
Antistjärnor skulle, om de råkade vara i naturen, under termonukleära reaktioner generera samma flöde av antineutrino, som vanliga stjärnor - ett flöde av deras antipoder. Samma antineutrino ska bildas vid antisupernova-explosioner. Hittills har varken det ena eller det andra upptäckts, men det bör noteras att neutrinoastronomi generellt tar sina första steg.
Detektor Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Kanada. / & kopia; squarespace.com
I vilket fall som helst har vi ännu inte tillförlitlig information om förekomsten av några märkbara mängder antimateria i universum.
Detta är bra och dåligt samtidigt. Det är dåligt eftersom, enligt moderna koncept, i de första ögonblicken efter Big Bang bildades både materia och antimateria. Därefter förintade de, vilket gav upphov till relik kosmisk strålning. Antalet fotoner i det är mycket stort, det är ungefär en miljard gånger större än antalet baryoner (dvs protoner och neutroner) i universum. Med andra ord, någon gång, i början av tiden, visade ämnet i universumet vara en miljardste mer än antimateria. Då försvann alla "överflödiga", förintade, och en miljarddels andel återstod. Resultatet är vad som kallas baryonasymmetri i speciallitteraturen.
För fysiker är obalans ett problem eftersom det måste förklaras på något sätt. Åtminstone för föremål som i alla andra avseenden uppträder symmetriskt.
Men för oss (inklusive fysiker) är detta bra, för med samma mängder materia och antimateria skulle fullständig förintelse inträffa, universum skulle vara tomt och det skulle inte finnas någon att ställa frågor.
Sakharovs villkor
Forskare insåg förekomsten av ett stort kosmologiskt problem någon gång i mitten av 1900-talet. Förhållandena under vilka universum blir som vi ser det formulerades av Andrei Sakharov 1967 och har sedan dess varit en "gemensam plats" för tematisk litteratur, åtminstone på ryska och engelska. I en mycket förenklad form ser de ut så här.
Först, under vissa förhållanden, som antagligen fanns i det tidiga universum, fungerar fysiklagarna fortfarande annorlunda för materia och antimateria.
För det andra, i detta fall kanske inte baryonantalet bevaras, dvs antalet baryoner efter reaktionen är inte lika med det före det.
För det tredje måste processen fortsätta på ett explosivt sätt, det vill säga att det måste vara icke-jämvikt. Detta är viktigt eftersom koncentrationen av ämnen i jämvikt tenderar att jämnas ut och vi måste få något annat.
A. Sakharov, sent på 1960-talet. / & kopia; thematicnews.com
Det är här den allmänt accepterade delen av förklaringen slutar, och sedan hämtar regeringen på ett halvt sekel. Den mest auktoritativa för tillfället kopplar samman incidenten med den elektavlacka-interaktionen. Låt oss titta närmare på henne.
Kokande utrymme
För att förklara vad som hände med vår fråga måste vi anstränga vår fantasi och föreställa oss att det finns ett visst fält i universum. Vi vet ännu ingenting om dess existens och egenskaper, förutom att det är förknippat med fördelningen av materia och antimateria i rymden och till viss del liknar temperaturen vi är vana vid, i synnerhet kan den ta större och mindre värden, upp till en viss nivå, som kan liknas kokpunkt.
Ursprungligen är materien i universum i ett blandat tillstånd. Det är väldigt "hett" runt - citaten kan utelämnas här, eftersom den vanliga temperaturen också är mycket hög, men vi talar om dess imaginära analoga. Denna analoga "kokar" - det maximala värdet.
När utrymmet expanderar börjar "droppar" kondensera från den initiala "ångan", där det är "svalare". Hittills ser allt exakt ut som med vatten - om den överhettade ångan finns i ett kärl, vars volym ökar tillräckligt snabbt, inträffar adiabatisk kylning. Om det är tillräckligt starkt, kommer något av vattnet att falla ut som en vätska.
Vatten kondenserat från ånga. / & kopia; 3.bp.blogspot.com
Något liknande händer med materien i rymden. När universumets volym ökar ökar antalet och storleken på "droppar". Men sedan börjar något som inte har några analogier i världen vi är vana vid.
Förhållandena för penetrering av partiklar och antipartiklar i "dropparna" är inte desamma, det är lite lättare för partiklar att göra detta. Som ett resultat kränks den initiala jämvikten av koncentrationer, i den kondenserade "vätskan" finns det lite mer ämne, och i "kokfasen" - dess antipod. I detta fall förblir det totala antalet baryoner oförändrat.
Och sedan, i den "kokande fasen", börjar kvanteffekter av samverkande elektrokejfält fungera, vilket, verkar det, inte borde ändra antalet baryoner, men i verkligheten utjämna antalet partiklar och antipartiklar. Strängt taget sker denna process i”droppar” också, men där är den mindre effektiv. Således reduceras det totala antalet partiklar. Detta skrivs kort och, naturligtvis, mycket förenklat, i själva verket är allt mycket mer intressant, men vi kommer inte att gå in på djup teori nu.
Två effekter visar sig vara nyckeln till att förklara situationen. Kvanteanomalin av interaktioner mellan elektroweak är ett observerat faktum, det upptäcktes redan 1976. Skillnaden i sannolikheten för att partiklar tränger in i kondensationszonen är ett beräknat faktum och därför hypotetiskt. Själva fältet, som "kokar" och sedan svalnar, upptäcks ännu inte. Vid utformningen av teorin antogs det att detta är Higgs-fältet, men efter upptäckten av den berömda boson visade det sig att det inte hade något att göra med det. Det är mycket möjligt att dess öppning fortfarande väntar i vingarna. Eller kanske inte - och då kommer kosmologer att behöva uppfinna andra förklaringar. Universum har väntat på detta i femton miljarder år, det kan vänta ett till.
Sergey Sysoev