Антиматерия — противоположность привычной нам материи; она таинственно неуловима; и когда она оказывается слишком близко к обычной материи, то при их контакте происходит аннигиляция.
Но с ней связано ещё больше необычных фактов – и вот вам четыре самых интересных.
Антиматерия есть во всех атомах
Первыми тремя субатомными частицами, о которых вы узнали, скорее всего, были протон, нейтрон и электрон. Эти частицы образуют атомы, из которых состоят наши тела и окружающий нас мир.
Из этой группы только электрон является элементарным, то есть не состоит из более мелких компонентов. Протоны и нейтроны же состоят из элементарных частиц, называемых кварками и глюонами.
Обычно пишут, что протоны и нейтроны состоят из трёх кварков каждый. Но на самом деле все гораздо сложнее. Протоны и нейтроны содержат целые моря кварков, антикварков и глюонов. Внутри протона или нейтрона частицы и античастицы постоянно сталкиваются и аннигилируют друг с другом.
Описывают протоны и нейтроны как частицы, состоящие всего из трёх кварков, потому что в этом водовороте появляющихся и исчезающих частиц только три кварка остаются без аналогов из мира антиматерии, говорит Беатрис Гато-Ривера, исследователь из Национального исследовательского совета Испании и автор книги об антиматерии. Соответственно, «антиматериальные» версии протонов — антипротоны — содержат три непарных антикварка.
Антиматерия находится вокруг вас, внутри каждого вашего атома, а также в атомах всего того, что вас окружает.
Антиматерию сначала предсказании при помощи математики
В 1928 году британский физик Поль Дирак столкнулся с загадкой. Чтобы описать поведение электронов, он сформулировал теорию, которая объединила специальную относительность Эйнштейна и квантовую механику. Но чтобы его математические уравнения работали, ему нужна была частица, о существовании которой, по крайней мере в то время, не было известно. Новая частица должна была иметь ту же массу, что и электрон, но противоположный заряд.
Три года спустя он, наконец, предположил, что такая частица действительно существует, и назвал её «антиэлектроном».
В том же году американский физик Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института фотографировал следы странных частиц, изучая космические лучи, проходящие через детектор частиц – т.н. «облачную камеру». В 1932 году Андерсон подтвердил, что следы исходят от предсказанных Дираком частиц, образующихся при столкновении космических лучей с атмосферой Земли. Андерсон назвал эти частицы «позитронами». Это было первое подтверждённое наблюдение антиматерии.
Были и другие случаи, когда несбалансированные математические уравнения помогли предсказать существование других частиц. В начале 20 века массу и стабильность атомов нельзя было объяснить только их протонами и электронами. Эрнест Резерфорд предположил, что их массу увеличивает другая, нейтральная частица — нейтрон. А в 1930 году учёным нужно было как-то объяснить, почему ядра, испускающие энергию в виде бета-частиц при радиоактивном распаде, отскакивают назад не прямо, а под углом. Вольфганг Паули предположил, что при распаде испускается ещё одна, невидимая частица, названная впоследствии «нейтрино».
В настоящее время учёные ищут всё новые частицы, включая аксионы, суперсимметричные частицы и частицы тёмной материи, которые могли бы объяснить многие давние загадки в физике частиц и космологии.
Учёные могут создавать гибридные атомы, частично состоящие из антиматерии
Замедляя антипротоны в замедлителе частиц, а затем объединяя их с криогенным гелием, учёные могут получить метастабильный гибридный атом под названием антипротонный гелий.
Такие гибридные атомы называются «экзотическими» атомами. Вообще говоря, в экзотическом атоме одна из составляющих частиц обычно заменяется на другую частицу с тем же зарядом. В некоторых случаях новая частица – представитель антиматерии. В антипротонном гелии электрон атома гелия заменяется антипротоном. Другие примеры включают мюоний (который содержит антимюон и электрон) и позитроний (который содержит электрон и позитрон).
Экзотические атомы используются для изучения взаимодействий между материей и антиматерией на микроскопических масштабах. Короткомасштабные взаимодействия между частицами и античастицами внутри атомов позволяют исследователям изучать явления, которые не получается исследовать другим способом.
«Эти короткомасштабные взаимодействия — важный инструмент поисков новой физики», — говорит Анна Сотер, физик частиц из ETH Zurich.
Учёные исследуют экзотические атомы в поисках признаков наличия «пятого взаимодействия» между антипротоном и электроном. Учёные также используют экзотические атомы для получения очень точных измерений свойств частиц. Это позволяет им проверить симметрии Стандартной модели, например, предсказание о том, что у частиц и их античастиц должны быть совершенно одинаковые масса и заряд (хотя и с противоположным знаком).
«На сегодняшний день метастабильный антипротонный атом гелия – это крупнейший экзотический атом, содержащий антивещество, который учёные смогли изучить с помощью лазерной спектроскопии, — говорит Сотер. — Но более простые системы, такие как мюоний и позитроний, также интересно изучать. Эти атомы состоят только из элементарных частиц при отсутствии сильного взаимодействия».
Помимо создания гибридных частиц, учёные также могут создавать антиатомы. Например, комбинируя антипротоны и позитроны, учёные из ЦЕРНа получают антиводород.
Учёные обнаружили в нашей галактике больше антиматерии, чем они могут объяснить в настоящее время
В 1970-х годах миссия Европейского космического агентства INTEGRAL обнаружила гамма-излучение, исходящее из центра Млечного Пути. Яркость и распределение этого сигнала указывали на то, что в ядре нашей галактики каждую секунду аннигилирует 9 триллионов килограммов позитронов (это 1043 позитрона) — гораздо больше, чем ожидали учёные.
Откуда берутся все эти позитроны — вопрос открытый. Среди кандидатов на их источники — сверхмассивная чёрная дыра в центре Галактики, другие массивные чёрные дыры поблизости, быстро вращающиеся нейтронные звезды (пульсары), и даже аннигиляция частиц тёмной материи.
Несколько экспериментов предназначены для обнаружения источника гамма-излучения в центре нашей Галактики. Например, телескоп Compton Spectrometer and Imager (COSI) — это гамма-телескоп, который будет делать снимки ядра нашей галактики в поисках источника позитронов. Другие проекты, такие как предлагаемая Всепланетная гамма-обсерватория средних энергий (AMEGO), также должны пролить свет на эту загадку.
Совсем недавно учёные обнаружили ещё один избыток позитронов, причём с гораздо более высокой энергией. Детектор космического излучения PAMELA, установленный на борту российского спутника, в 2008 году обнаружил, что мимо Земли пролетает больше частиц антиматерии, чем первоначально предполагали учёные. Другие эксперименты, такие как AMS-02, работающий на борту Международной космической станции с 2011 года, подтвердили выводы коллаборации PAMELA.
Откуда берутся эти дополнительные позитроны? Было выдвинуто несколько гипотез. По мнению Тима Линдена, астронома из Стокгольмского университета, самыми сильными претендентами на роль их источников могут быть пульсары.
Учёные изучали гамма-лучи от пульсаров, чтобы выяснить, сколько позитронов испускают звезды. «Мы получаем цифры, которые очень хорошо согласуются с моделями, в которых пульсары производят избыток позитронов, который мы наблюдаем», — говорит Линден.
