Виктор де Касто - PRO Антиматерию

В форме «Джекила» мы имеем комбинацию нижнего кварка с антистранным. Антистранный теряет энергию и превращается в антинижний; иногда эта энергия просачивается наружу и происходит распад каона; но она также может быть впитана соседним нижним кварком, в результате чего тот превратится в странный кварк. В этом случае то, что начиналось как нижний кварк с антистранным кварком, превращается в странный с антинижним: K 0«Джекил» изменился в анти- K 0«Хайд».

Это означает, что K 0и анти-K 0могут меняться в одну и другую сторону: Джекил в Хайда и обратно. На научном языке это называется осцилляцией. Изначально чистый пучок K 0будет при распространении превращаться в свои античастицы, которые затем станут превращаться обратно в начальные частицы, и так далее. Это и есть осцилляция частиц. При наблюдениях распадов на лептоны выяснилось, что K 0всегда распадался с эмиссией электрона, в то время как античастица анти- K 0– с эмиссией позитрона. Если материя и антиматерия симметричны, то, вероятно, произойдет изменение K 0в анти- K 0, как и обратный процесс. Если снять фильм про осцилляцию, то смотреться он будет одинаково, независимо от того, в каком направлении прокручивать пленку – вперед или назад. Если материя и антиматерия отличаются, то и эти «обменные курсы» могут различаться.

Как заглянуть внутрь одного из этих зверей, чтобы посмотреть, не осциллирует ли он больше, чем другой? Ответ – нужно посмотреть, что остается после смерти, потому что таким образом можно сказать, был ли погибший K 0или его антиверсией. Если вы создаете пучок, в котором наблюдается смесь K 0и его антиблизнеца в пропорции 50:50, то вы можете сравнить смесь после гибели частиц. Если окажется другая пропорция, а не 50:50, это произойдет или потому, что в осцилляции наблюдается асимметрия, при трансформации Джекила в Хайда и наоборот: одно направление выбиралось чаще другого, или одна форма погибает быстрее или легче другой. Что бы это ни было, мы приходим к определенному выводу: материя и антиматерия различаются.

Во время серии экспериментов, проведенных в ЦЕРН в 1998 году, было обнаружено, что анти- К превращается в К немного быстрее, чем наоборот. Это доказывает наличие внутреннего направления стрелы времени даже на уровне базовых частиц, поскольку вы можете сказать, в какую сторону крутится пленка со снятым фильмом об осцилляции анти- К в К : вперед, если анти- К имеет склонность вымирать, и назад, если остается больше анти- К . Последствия таковы, что, если вы начинаете с равным количеством К и анти- К в смеси, то в конце концов получается небольшой излишек К . При короткой жизни К это мелочь, и сама по себе она недостаточна для объяснения большого преимущества материи во Вселенной. Тем не менее это доказательство в принципе того, что такая асимметрия может получиться.

Эти ключи к асимметрии материи и антиматерии появились в результате подарка природы: в дополнение к нижнему кварку и его более тяжелой странной версии мы теперь знаем, что природа на этом не остановилась. Эксперименты в Большом электрон-позитронном коллайдере показали, что в самом начале существования Вселенной были три «поколения» кварков и три поколения частиц, подобных электронам и связанных с ними нейтрино.

Если идеи, заложенные в уравнении Дирака, расширить таким образом, чтобы учитывать тот факт, что природа использует не одно, а три поколения, то оказывается, что материи и антиматерии больше не нужно быть симметричными двойниками. Эмпирическое доказательство этого было продемонстрировано в асимметричном поведении К и анти- К . В последние годы появились еще более веские доказательства после открытия того, что если странный кварк или антикварк в К и анти- К заменяется кварком или антикварком третьего поколения, получающиеся в результате В -мезоны и анти- В -мезоны демонстрируют еще большую асимметрию. Это соответствует тому, что было предсказано теоретически и доказывает, что существование трех поколений ароматов кварков во Вселенной допускает появление асимметрии между материей и антиматерией. Это также показывает, что удаленные галактики могут состоять как из материи, так и антиматерии. Нам нужен только разумный инопланетянин, чтобы задать ему вопрос. Но на всякий случай не стоит пожимать руку антиинопланетянину.

Представьте, что вы висите над планетой в очень далекой галактике. Вы не знаете, состоит ли она из материи или антиматерии, а поэтому – будет ли для вас безопасно на нее сесть. Планета заселена дружелюбными инопланетянами, с которыми вы установили радиосвязь. Они очень умны, понимают вас и настолько продвинуты, что все знают про материю и антиматерию.

Естественно, они утверждают, что состоят из материи. В конце концов было бы странно, если бы кто-то стал говорить о себе как об «анти» ком-то или имеющем «анти» что-то. Как нам определить, совпадают ли наши понятия и определения? Какие вопросы нужно задать, чтобы с абсолютной точностью выявить, что инопланетяне состоят из материи, как мы, или что они – антиинопланетяне?

Если бы материя и антиматерия всегда симметрично противопоставлялись друг другу, то этот вопрос решить было бы нельзя, только можно было бы на свой страх и риск подойти поближе или запустить крошечный непилотируемый зонд и посмотреть, что произойдет, когда он войдет в атмосферу или антиатмосферу. Хотя реакция антиинопланетян на кусок материи, аннигилирующей в их атмосфере, может оказаться не самой благоприятной, независимо от того, какими дружелюбными они казались вначале.

Однако мы знаем, что асимметрия имеет место. Она небольшая, но измеримая, и именно это могут показать электрически нейтральные К -мезоны. Они это делают при распаде, давая пион, который заряжен или положительно, или отрицательно, в компании с электроном или позитроном соответственно. Если бы материя и антиматерия были полными двойниками, то эти два распада тоже идеально совпадали бы. Но в реальности они немного отличаются друг от друга.

Нейтральный К и анти- К спаяны вместе в природе таким образом, что иногда они быстро погибают, но в других случаях живут дольше. Две возможности весьма сильно отличаются и известны как короткоживущие и долгоживущие каоны. Каждый из них демонстрирует асимметрию между материей и антиматерией, но в случае долгоживущего эффект сильнее, распад, который ведет к позитрону, слегка более вероятен, чем дающий электрон. Из двух тысяч примеров в среднем 1003 дадут позитрон, а 997 – электрон. Теперь у нас по крайней мере есть что-то для обсуждения с инопланетянами.