Исследователи близки к разгадке главной тайны мироздания, почему во Вселенной материя преобладает над антиматерией.

Гигантский детектор нейтрино Super-K, расположенный в глубокой шахте, заполненной водой, зафиксировал новый тип превращения элементарной частицы: мюонное нейтрино стало электронным. И это крайне воодушевило международный коллектив ученых, проводивших эксперимент Т2К (Tokai-to-Kamioka) на японском ускорителе J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) в Токае.

- Эти исследования могут пролить свет на роль нейтрино в том, почему во Вселенной больше вещества, нежели антивещества, то есть явиться ключом к разгадке одной из тайн природы, – заявил директор Института ядерных исследований (ИЯИ) Российской академии наук, академик-секретарь Отделения физических наук РАН Виктор Матвеев. – Возможно также появление новых и, весьма вероятно, совершенно неожиданных результатов.

НЕРАВЕНСТВО КОСМИЧЕСКОГО МАСШТАБА

По теории, у каждой материальной частицы во Вселенной есть двойник – античастица. Она такая же по массе, но другого заряда.

“Нормальная” материя состоит из “положительных” протонов, нейтронов и “отрицательных” электронов. Антиматерия – из “отрицательных” антипротонов, антинейтронов (с противоположным магнитным моментом) и “положительных” позитронов.

Образно говоря, частицы и античастицы, материя и антиматерия равны перед Богом. То есть в момент рождения Вселенной – в результате Большого взрыва или чего-то там еще – вещества и антивещества должно было бы образоваться поровну. Но по какой-то невероятно загадочной причине возник перекос. По-научному его называют барионной асимметрией.

В результате непонятных пока процессов случилось так, что вещество есть – оно кругом, а антивещества не видно. И надо сильно постараться, чтобы его добыть.

Причину возникновения асимметрии ищут. В том числе и с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК), в которых воспроизводят условия, существовавшие в первые мгновения жизни Вселенной. Ведь, по одной из гипотез, вещество взяло верх над антивеществом то ли в сам момент Большого взрыва, то ли почти мгновенно после него.

С другой стороны, нет абсолютной уверенности в том, что вещество доминирует везде. Во всех уголках Вселенной. Может быть, где-то существуют так называемые антимиры. Так вот, вполне вероятно, что эксперименты в Японии – с нейтрино – позволят подобрать к ним ключи.

ТРИ ТОВАРИЩА

Нейтрино – очень легкие элементарные частицы. Одно время полагали, что они вообще лишены массы, поэтому так запросто проникают сквозь любое вещество. Например, прошивают насквозь нашу Землю, словно бы ее и нет на пути. Однако выяснилось, что масса у нейтрино все же есть. По данным ИЯИ РАН, она не превышает стотысячной доли от массы крошки-электрона.

Ныне ученые различают нейтрино трех видов – электронные, мюонные и тау. И признают, что за ними водятся чудеса: одни нейтрино могут превращаться в другие. До японских экспериментов было известно о двух таких превращениях. Теперь выяснилось, что существует и третье: мюонное нейтрино способно “обернуться” электронным. Как лягушка – Василисой Прекрасной.

Эффект чудесного превращения – так называемой осцилляции – и был обнаружен с помощью детектора в шахте с водой. То есть в ускорителе получили мюонные нейтрино, направили на детектор, находящийся почти в 300 километрах, а там зафиксировали уже электронные нейтрино.

“Третье чудо” сделало картину возможных превращений полной. И позволило предположить, что подобные процессы с участием нейтрино и привели в итоге к перекосу во Вселенной – асимметрии, выражаясь научным языком. К преобладанию вещества над антивеществом.

Как полагают ученые, превращения среди нейтрино двух видов не могут привести к асимметрии между материй и антиматерией. А осцилляции между тремя – уже способны. Благодаря дополнительным степеням свободы.

- Не исключено, что существуют еще не известные нам физические законы, – сказал в интервью ВВС один из участников эксперимента, профессор Дейв Уарк. – Ведь те, которые нам известны сейчас, не позволяют объяснить явный перевес материи над антиматерией. Физика нейтрино – это как раз та многообещающая область, где эти законы могут прятаться.

ЦИТАТА В ТЕМУ

Тропы еще в антимир не протоптаны,

Но, как на фронте, держись ты!

Бомбардируем мы ядра протонами,

Значит, мы – антиллеристы.

(Владимир ВЫСОЦКИЙ, из марша студентов-физиков.)

А В ЭТО ВРЕМЯ

В ЦЕРНе ловят и удерживают антиводород

Физики, работающие в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН), идут другим путем к тайнам антиматерии – пробуют исследовать саму эту экзотическую субстанцию. Они создали антиводород. Сумели наловить его атомы и удержать в “магнитной бутылке”. Спустя всего 10 лет у сюжета фантастического романа Дэна Брауна “Ангелы и демоны” появилась реальная научная основа.

В романе антивещество получают конкретно в ЦЕРНе – в Швейцарии, хотя на Земле построено не менее десяти подходящих установок. У швейцарских ученых антивещество и воруют злоумышленники. Выносят, чтобы потом выпустить и взорвать.

В 2000 году, когда “Ангелы и демоны” только вышли в свет, в ЦЕРНе как раз был запущен так называемый антипротонный деселератор (Antiproton Decelerator), или накопительное кольцо, – устройство, замедляющее антипротоны.

С помощью кольца в 2002 году физики впервые добыли ощутимое количество антивещества – примерно 50 тысяч атомов антиводорода. Добыли, но не наловили. Все полученное антивещество мгновенно самоуничтожалось – аннигилировало, взаимодействуя с нормальным – нашим – веществом.

Ныне же физикам, участвовавшим в эксперименте ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus), удалось еще и собрать полученные атомы антиводорода в хитрую ловушку – так называемую “магнитную бутылку”.

В ноябре прошлого года антивещество удалось удержать ничтожные доли секунды. Недавно – рекордные 16 минут! Явный прогресс.

Атомы антиводорода были синтезированы в результате взаимодействия антипротонов из деселератора и позитронов, которые излучал радиоактивный изотоп натрия. Они получились электрически нейтральными. Но слабыми магнитными свойствами все же обладали. Это и позволило наловить чуть-чуть атомов антиводорода в ловушку, внутри которой было создано весьма сложное магнитное поле. И созданы условия, при которых антивещество было изолировано от вещества – стенок ловушки.

В ловушку поместил “свое” антивещество и Дэн Браун. Но сильно ошибся в размерах. У писателя она переносная. Реальное же приспособление для хранения антиводорода весит несколько тонн. И тем не менее автор “Ангелов и демонов” по большому счету предугадал научную тенденцию. Всего-то 10 лет прошло. А кто знает, какого прогресса достигнут физики еще через декаду? Вдруг дело дойдет и до переносных ловушек? И не до считанных атомов антивещества, а до граммов?
Владимир ЛАГОВСКИЙ — 08.09.2011