Просвещението
Цената на антиматерията пада. Според оценките през 1999 година са били нужни 62,5 трилиона $ за производството на грам антиводород, а през 2006 година грам позитрони към този момент се прави оценка на 25 милиарда $. Но за какво антиматерията остава необикновено рядка в нашата Вселена?
В същото време законите на физиката не дават особени преимущества на елементарната материя. От позиция на най-прецизните формули, съществуването на галактики, звезди и планети, формирани от нея, има доста нестабилни основи.
Нормално е да се стартира да се приказва за физически концепции с философите на древността. В случая с антиматерията това няма да работи, тъй като тази идея е дете на 20-ти век. Спекулативните причини за антиматерията прозвучали малко по-рано, като същинската година на нейното раждане би трябвало да се смята за 1928 година, когато Пол Дирак посочил, че в решенията на релативистичното уравнение на Шрьодингер се появява чудноват математически обект, сходен във всеки смисъл на електрон, само че с позитивен заряд.
Единствената позната тогава позитивно заредена парченце
бил протонът. Някои учени нямали нищо срещу да свържат предсказанието на Дирак с него, само че 2000-кратната разлика в масите обаче не го разрешавало. Спорът таман почнал да се разгаря (още през 1929 г.), когато руският физик Дмитрий Скобелцин пробно записал частици, които се държат като електрони, само че при придвижването си се отклоняват от магнитно поле в противоположна посока, т.е. имат позитивно електрическо зареждане.
Същността на неговия опит бил напълно елементарен. Облачна камера (предшественик на актуалните детектори за обикновени частици) била допълнена с магнити, издигнати на огромна височина и записали частици, идващи от космоса. Скобелцин не съумял да потвърди, че следите, усукани в “грешната ” посока, оставят нови позитронни частици, а не случайни електрони, издигащи се в противоположната посока, от Земята нагоре.
Само три години по-късно Карл Андерсън усъвършенствал опита, като разделя облачната камера с оловна плоча. Начина, по който мистериозните частици били инхибирани от оловото, било допустимо да се разграничи посоката на тяхното придвижване. Андерсън най-сетне потвърдил съществуването на позитроните, за което получава Нобелова премия през 1936 година
Между другото, точно в своята Нобелова лекция през 1933 година Пол Дирак планувал съществуването на негативно зареден сътрудник на протона – антипротон, който е пробно открит през 1955 година от физиците от университета в Бъркли Емилио Сегре и Оуен Чембърлейн, които също печелят Нобелова премия. Година по-късно на същото място, в Бъркли, е открит и антинеутронът. Идва време да си помислим, по какъв начин този антисвят се вписва в визиите ни за Вселената.
Жалки останки
Стандартният модел на физиката на обикновените частици, дефиниран през 50-те и 70-те години на предишния век, елегантно комбинира частици и античастици в общ математически метод. Светът, който те разказват, се основава на кварки и лептони. Кварките са формирани от адрони, като протона и неутрона, и техните античастици, а лептоните са електронът с позитрона и техните „ тежки версии “, мюони и тау лептони. Нито физиката на обикновените частици, нито теорията за Големия гърмеж дават желание на един или различен кварк или лептон.
Формулите демонстрират, че в самото начало на Вселената материята и антиматерията е трябвало да се появят, общо взето, в равни количества. Резултатът от тяхното взаимоотношение е прочут като анихилация, което е превръщането на цялата маса в сила, според формулата на Айнщайн E = mc 2. Това се случило съвсем незабавно след Големия гърмеж и следите от това велико обединение на материя и антиматерия. Цялата материя, от която са формирани безбройните звезди, планети и газови облаци в актуалната Вселена, е единствено останки, които са претърпели анихилация, малко количество първична материя, за която не е имало задоволително антиматерия.
Предимството на материята пред антиматерията било малко, само че се оказва една от най-големите мистерии на космологията. Тя се показва в казуса за барионната асиметрия на Вселената. Какъв е бил „ минусът “, заради който в новородения свят се е образувала малко повече материя, в сравнение с антиматерия? Наистина това било нищожно (опростено, като може да се каже, че за един милиард частици антиматерията има милиард и още една парченце елементарна материя), само че без тази разлика Вселената щеше да си остане празнина, цялостна с остатъчна радиация. Никой наблюдаващ не би могъл да се успокои с обстоятелството, че няма разлики сред материя и антиматерия, като всичко работи тъкмо по формулите. За благополучие нещата се оказали много по- разнообразни.
Минимално преимущество
Едно от първите теоретични пояснения за барионния дисбаланс е препоръчано от Андрей Сахаров. Още в края на 60-те години на предишния век той свързва асиметрията на материята и антиматерията с нарушаване на паритета на пространствения заряд (CP-симетрия) при фундаменталните взаимоотношения. Неговите калкулации се удостоверяват от опитите на слабото взаимоотношение, за разлика от мощното и електромагнитното, “разграничаване ” на материята и антиматерията. Формулите, описващи този тип взаимоотношения, не резервират силата си в огледалното отражение на системата от частици и техните заряди.
От друга страна, нарушаването на CP единствено по себе си не е задоволително, с цел да изясни следената разлика в количеството материя и антиматерия. Може би просто не виждаме нещо? Теоретично са вероятни звезди, цели галактики и даже комети, направени от антиматерия. Търсенето им обаче не е лесна задача. С телескоп те не би трябвало да се разграничават по нищо от елементарните комети, звезди и галактики. Затова множеството очаквания се свързват с откриването на комплицираните античастици в състава на галактическите лъчи. Това станало една от задачите на опита AMS, стартиран през 2011 година на борда на МКС.
Сензор, инсталиран на външната повърхнина на станцията, улавял галактическите частици и анализирал техния състав в търсенето на антихелиеви частици. Те били най-обещаващите за решаването на казуса с барионната асиметрия. Уви, към днешна дата всички резултати сочат неналичието на обилни количества антиматерия в нашата Вселена. Детекторът към момента работи и открива единствено редки античастици, които се раждат и изчезват вследствие на взаимоотношението на елементарната материя. Може би си коства да се потърси някои по-фини разлики сред тях?
Синтетичен антисвят
Получаването на антиатоми на Земята се оказва механически извънредно сложна задача. Първите антиводородни атоми са получени едвам през 1995 година в опита SP20 в ускорителя LEAR на Европейския център за нуклеарни проучвания (CERN). Най-тежкият антиелемент, синтезиран досега, е антихелият, чието ядро съдържа антипротон и е един или повече антинеутрони. Антихелий-3 е следен още преди антиводорода, през 1970 година, в протонния синхротрон U-70 в Института за физика на високите сили в Протвино. Изотопът антихелий-4 е регистриран през 2010 година в американската национална лаборатория Брукхейвън.
Нито един съд не можел да побере изкуствено получените античастици, взаимодействайки с атомите на елементарната материя. Те мигновено се анихилират. Следователно антиатомите би трябвало да се съхраняват в специфични магнитни клопки на Пенинг. За в този момент върхът за предпазване е към 17 минути. Но даже и това време е задоволително, с цел да се изучат свойствата на антиматерията и да се ревизира правилността на някои прогнози на теорията.
Една от тези работи е осъществена през 2017–2018 година в CERN. Физиците са измерили с огромна акуратност структурата на спектъра, обвързвана с взаимоотношението на магнитните моменти на ядрата и антиядрата с магнитното поле на електроните и позитроните. Въпреки това, даже този опит не разкрил никакви разлики в спектрите на елементарния хелий и антихелий (в цялостно единодушие със Стандартния модел).
Перспективи без вероятности
Съществуват и различни теоретични пояснения за преобладаването на материята над антиматерията. Например, могат да се запазят цели райони от Вселената, където господства антиматерията, отделена от нас с преграда от доста гореща анихилационна “пара ”, която се появява на границата сред областите, цялостни с материя и антиматерия.
Друга концепция е обвързвана с хипотезата, че неутрон или електрон има собствен личен електрически диполен миг (EDM). В този случай материята и антиматерията биха се държали много по друг метод, осигурявайки основа за пояснение на преимуществото на първото пред второто. Въпреки това, всички опити демонстрират, че в случай че тези частици имат EDM, то той е извънредно слаб, и по никакъв метод не може да изясни преобладаването на елементарната материя.
Вселената обича салдото. За всяко деяние има противопоставяне. Несъответствието сред количеството материя и антиматерията е може би най-фундаменталният образец за такова противоречие. Докато не разберем естеството на тази разлика, цялата постройка на актуалната физика ще остане да стои върху много нестабилни основи.
