Книга Бытия. Общая история происхождения - Гвидо Тонелли

Антиматерия стала таким образом довольно обычным делом. Она производилась на многих ускорителях, по большей части для исследования ее свойств, но также для использования в некоторых клиниках в медицинских целях. Наиболее известный пример – позитронно-эмиссионная томография, диагностический метод, в котором изображение функционирующих органов строится на основе излучения, образуемого при аннигиляции электронов и позитронов.

Одно из свойств, больше других захватившее воображение людей, как раз это: частица и античастица, приходя в непосредственный контакт, превращаются в пару фотонов с энергией, эквивалентной массе исходной системы. Этот наиболее эффективный способ превращения материи и антиматерии в энергию стал основой для множества научно-фантастических романов.

В самом деле, никакая другая реакция не в силах состязаться с аннигиляцией. Энергия, которая может высвободиться при контакте одного килограмма материи с одним килограммом антиматерии, в двести семьдесят пять[15] раз больше энергии, которая образуется в ходе термоядерной реакции, превращающей килограмм водорода в гелий, и в четыре миллиарда раз больше энергии, получаемой при сжигании одного килограмма бензина. Проблема заключается только в том, что пока никому не удалось найти эффективного способа получения больших количеств антиматерии. Ускорители производят античастицы в ничтожных количествах за счет колоссальных энергетических и материальных затрат. Было подсчитано, что на производство десяти миллиграммов позитронов требуется двести пятьдесят миллионов долларов. Иначе говоря, грамм антиматерии обошелся бы в двадцать пять миллиардов долларов, оказавшись самым дорогим и самым редким веществом на Земле – причем с очень большим отрывом. Так что строить космические корабли, приводимые в движение благодаря антиматерии, как “Энтерпрайз” в фильме “Звездный путь”, пока что не получится.

С самых первых сформулированных вариантов концепцию антиматерии сопровождал вопрос, на который физика так пока и не смогла дать ответ: если уравнения симметричны и одинаково описывают поведение и материи, и антиматерии, почему в нашем мире доминирует материя? Естественно думать, что в конце инфляционной фазы избыточная энергия извлекла из вакуума материю и антиматерию в равных количествах. Но похоже, что потом антиматерия напрочь исчезла из окружающей нас Вселенной. Что с ней случилось?

Поисками ответа на этот вопрос занимаются тысячи исследователей, мысль которых движется различными путями. Первая гипотеза заключалась в том, что большие концентрации антиматерии могли просочиться в некие пока еще не изученные области пространства – и там существуют целые миры из антиматерии, галактики из антипротонов и позитронов, только они пока что ускользают от наших наблюдений.

Вторая исследовательская гипотеза предполагала, что все дело в незначительной разнице в поведении материи и антиматерии, маленькой аномалии, которая нарушила исходную симметрию и оказалась всему причиной. Были проведены очень подробные исследования, и в самом деле обнаружившие различные механизмы, дающие материи небольшое преимущество в процессах распада частиц и античастиц. Эта разница заложена в Стандартной модели, но она оказывается слишком маленькой, чтобы объяснить весь тот избыток частиц над античастицами, который мы наблюдаем вокруг.

Наконец, в последние годы появилась еще одна гипотеза. Возможно, все определила некая особенность, возникшая как раз тогда, когда бозон Хиггса вышел на середину сцены, чтобы нарушить симметрию, царившую в первоначальной Вселенной. Чуть большей его склонности к связям с частицами, чем с античастицами, могло хватить, чтобы образовалась материальная Вселенная, наблюдаемая нами.

Но появляются и другие гипотезы. О том, что асимметрия возникла именно из-за того, как проходил фазовый переход. Из-за скорости, с которой он происходил, локальная аномалия могла стать общим свойством новой системы, и этот момент стал бы точкой бифуркации. И наша материальная Вселенная открыла бы дорогу материи, обеспечив ей решающее превосходство над антиматерией.

Для подробного изучения подобных явлений потребовалось бы произвести десятки миллионов бозонов Хиггса и точно измерить все их характеристики, чтобы найти все возможные аномалии. Это те самые исследования, которые сейчас ведутся на Большом адронном коллайдере, для чего на нем понемногу увеличивается энергия и производится больше столкновений. Но может случиться, что для понимания происшедшего понадобится другой, более мощный ускоритель: пригодный для получения таких высоких энергий, чтобы всколыхнуть поле Хиггса, реконструировать все возможные варианты того судьбоносного фазового перехода, изучить его поведение в условиях, далеких от благостного равновесия, в котором оно покоится на протяжении миллиардов лет.

Глубочайшая из симметрий

Под именем суперсимметрии скрывается в действительности целое семейство теорий, объединенных гипотезой о том, что у всякой известной частицы есть суперсимметричный партнер, то есть еще одна частица, во всем с ней схожая, но только намного более тяжелая и с другим спином, отличающимся на ±1/2. Для обычных фермионов с полуцелым спином (1/2) суперпартнерами должны быть суперсимметричные бозоны с целым спином (0 или 1), а партнеры обычных бозонов – суперсимметричные фермионы. В супермире фермионы переносят взаимодействия, а из бозонов строится материя.

Теория предсказывает, что и эта высшая форма симметрии должна была нарушиться в первые мгновения после Большого взрыва. Другими словами, суперсимметричные частицы населяли раскаленную первичную Вселенную в равных пропорциях с обычной материей. Но быстрое охлаждение, вызванное расширением, вызвало вымирание массы. Лишенные возможности выжить, они почти немедленно распались на частицы обычной материи, и сейчас их нигде не осталось.

На самом деле могли быть и исключения. Теория предсказывает, что могли существовать суперсимметричные стабильные частицы, которые не распадаются ни на что. Эти тяжелые частицы, участвующие только в слабых взаимодействиях, могли бы собираться в огромные агломераты с очень сильным гравитационным полем. Если бы это было так, нам стало бы понятно происхождение темной материи, удерживающей как целое галактики и скопления галактик. Эти огромные агломераты стабильных суперсимметричных частиц могли бы быть реликтовым остатком той ранней эпохи, когда суперсимметричная материя доминировала во Вселенной.

Очарование СУСИ – под таким акронимом собраны все суперсимметричные теории (здесь СУ означает “супер”, а СИ – “симметричный”) – состоит еще и в том, что из этих теорий появляется более простой сценарий объединения фундаментальных взаимодействий и в нем также есть особое место для бозона Хиггса. Частица, открытая в 2012 году, может в действительности оказаться лишь первой из целого семейства “супер-Хиггсов”, и тогда суперсимметрия поможет нам лучше понять, откуда берется его масса в 125 ГэВ. Виртуальные суперсимметричные частицы, сооружая вокруг него что-то вроде непробиваемого панциря, защищали бы его от нестабильности, присущей бозону с такой массой из-за квантовых эффектов.

Но для подтверждения теории недостаточно, чтобы она была элегантной и пользовалась популярностью среди физиков-теоретиков. Необходимо также, чтобы эти странные частицы были обнаружены в данных каких-нибудь экспериментов, а этого-то пока и не произошло. Так что может еще выясниться, что эта теория ошибочна.