Два італійських фізика - Зураб Бережиани і Фабріціо Нести - заявили, що їм вдалося виявити відчутну витік нейтронів в магнітній пастці невідомо куди. Самі автори говорять, що, швидше за все, частинки витікають в дзеркальний світ. Їх висновків ще належить пройти додаткову експериментальну перевірку, однак, сама новина - прекрасний привід згадати колись популярну фізичну гіпотезу про існування дзеркальної матерії.

Симетричне світобудову

В основі більшості фізичних теорій лежить поняття симетрії. Вчені, втім, розуміють його дещо ширше, ніж геометричне подання, з яким ми стикаємося в повсякденному житті (осьова, центральна, поворотні симетрії). Вони ж під симетрією розуміють деякий нетривіальний перетворення, що зберігає в деякому сенсі закони, що описують той чи інший процес. Наприклад, правила, що керують рухом літака, не залежать від того, летить він з півдня на північ або із заходу на схід. Якщо говорити більш загально, то це ілюстрація поняття ізотропності нашого тривимірного простору - відсутність в ньому особливих напрямків, уздовж яких закони природи мали б інше формулювання, ніж в інших напрямках (насправді, звичайно, є финслерова геометрія, в якій цей принцип не виконується, проте не забігатимемо в такі наукові дали).

Це поняття, поняття симетрії, відіграє фундаментальну роль не тільки тому, що гарантує красу отриманих рівнянь. Виявляється, фундаментальні закони збереження енергії, імпульсу та інших фізичних величин є прямим наслідком наявності симетрій (неперервних груп симетрій, якщо бути точним). Цей основоположний для усієї фізичної науки факт був встановлений на початку XX століття Еммі Нетер.

У фізиці елементарних часток, про яку й піде мова, існують три основних типи симетрій. Перший тип - це так звана C-симетрія, від англійського charge, що означає заряд. Наявність цієї симетрії означає, що закони фізики не змінюються, якщо всюди в системі поміняти заряди частинок на протилежні, змінивши також напряму магнітних і електричних полів. Наприклад, твердження «однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються» можна розглядати як найпростіший приклад фізичного закону, що задовольняє вимогу C-симетрії. Дійсно, однойменні заряди залишаються однойменними після одночасної зміни знака, так само як і різнойменні залишаються різнойменними.

Другий тип симетрії - це так звана T-симетрія. Суть її полягає в тому, що при зміні напрямку течії часу на протилежний закон, що описує рух частинки, не змінюється. Прикладом такого правила може слугувати другий закон Ньютона, що зв'язує силу і прискорення. Щоб зрозуміти, чому це так, уявімо фільм, який програють задом наперед - це і буде зміна напрямку течії часу на протилежне. По екрану задом їдуть машини, задкують люди. Разом з тим, роблять вони це на тій же швидкості, що і при правильному перегляді фільму, - змінилося тільки напрямок. З точки зору фізики це означає, що швидкість змінила знак. Прискорення, тобто швидкість зміни швидкості, залишається тим же - по суті рівно тому, що мінус на мінус дає плюс. Цей факт і тягне інваріантність другого закону Ньютона. Втім, цей тип симетрії нам далі майже не знадобиться.

Нарешті, третій тип фундаментальної симетрії у світі елементарних частинок - це P-симетрія. Щоб зрозуміти, що це за тип симетрії, досить поглянути на власні руки. Їх дві - права і ліва. При цьому, як би ми не старалися, не крутили правою рукою, ми не зможемо зробити так, що вона стане виглядати як ліва. Це пов'язано з тим, що з точки зору математики ліва і права руки по-різному орієнтовані. Разом з тим, подивившись на ліву руку в дзеркало, ми побачимо, що вона не відрізняється від правого. Так от, P-симетрія це як раз симетрія щодо дзеркального відображення простору, як кажуть математики, відображення, що змінює орієнтацію. У макросвіті симетрія такого роду, звичайно, є - наприклад, праве кермо машина їздить так само, як і леворульная. У мікросвіті, проте, все набагато складніше.

Відсутність симетрії народжує чудовиськ

Тепер перенесемося в 50-ті роки минулого століття. Майже всі фізики впевнені в непорушності C - і P-симетрії стосовно до слабкої взаємодії (одна з чотирьох фундаментальних взаємодій, пов'язане, наприклад, з деякими типами ядерного розпаду). У 1956 році молоді китайські фізики Чжэндао і Чжэньнин Янг, аналізуючи накопичилися на той момент експериментальні дані, висловлюють досить крамольну на той момент думка: при слабкій взаємодії порушуються обидва типи симетрії. Свої висновки вони засновують на накопичених на той момент даних про різного роду несиметричних процесах, до яких відноситься, наприклад, розпад нейтронів. При такому розпад нейтрино і електрони розлітаються несиметрично (вже в геометричному сенсі). Для перевірки власних припущень вчені пропонують кілька типів експериментів.

У цьому ж році група вчених під керівництвом китаянки Ву Цзиньсян з лабораторії Колумбійського університету проводить один із запропонованих експериментів. Ядра кобальту-60 при наднизькій температурі та в присутності сильного магнітного поля розпадаються на ядра ізотопу нікелю 60Ni, електрони і електронні нейтрино. Ретельні вимірювання показують, що в напрямку спина ядра (напрямок спина тут зручно розуміти як напрямок вздовж осі «обертання» ядра, визначений за правилом правого буравчика) електронів вилітає менше, ніж в протилежному напрямку, а це рівно і означає порушення P-симетрії. Це легко зрозуміти, якщо відобразити процес в дзеркалі, паралельний вектору швидкості. При такому відображенні вектор швидкості не зміниться, а спін змінить напрямок на протилежне (рівне тому, що змінився напрям «обертання» ядра).

Саме тоді з'явився термін «дзеркальна матерія». Саме так самі Янг і назвали загадкові гіпотетичні частинки, для яких закони слабкої взаємодії повинні бути дзеркально симетричні звичайним. Тоді ідея не прижилася - досить швидко виникла теорія великого радянського фізика Льва Ландау про те, що при слабкій взаємодії зберігається так звана CP-симетрії (це просто одночасне зміна зарядів, напрямків електричного і магнітних полів на протилежні і дзеркальне відображення координат). У його теорії на роль дзеркальних частинок чудово підходили античастки. На той момент в реальності цього фізичного об'єкта ніхто не сумнівався - позитрони (античастки, відповідні електронам) були відкриті ще в 1932 році. Немає нічого дивного, що фізики воліли вже існуючий об'єкт якоїсь абстракції.

У 1964 році, однак, CP-симетрії зазнала нищівного удару - американські фізики Джеймс Кронін і Вел Фітч виявили в розпад нейтральних каонов (це такі частинки) порушення цієї симетрії. За цю роботу обоє отримали Нобелівську премію по фізиці в 1980 році (а за пояснення цього феномена, що призвело до появи третього сімейства кварків, ту ж нобелівку дали Йоитиру Намбу, Макото Кобаясі і Тосихидэ Масакава вже в 2008 році).

В цей же час дзеркальна матерія знову опинилася в полі уваги фізиків, тепер вже радянських. У 1966 році в журналі «Ядерна фізика» виходить стаття «Про можливості експериментального виявлення дзеркальних частинок», написана Ігорем Кобзаревым, Левом Окунем і Ісааком Померанчуком. У цій роботі вчені вперше всерйоз розглянули властивості такої гіпотетичної матерії. У наступних роботах, вони встановили, що вона взаємодіє сама з собою. Це означає, що якщо така матерія існує, то існують і дзеркальні атоми і навіть, можливо, дзеркальні небесні тіла (1983 рік). При цьому виявилося, що така дзеркальна матерія буде взаємодіяти з нашим світом тільки за допомогою гравітації. При цьому в околиці Землі цієї дзеркальної матерії майже немає (1979 рік). Якщо б вона була, то вона вносила б суттєві обурення в рух небесних тіл, яке астрофізикам, зрозуміло, давно б вдалося виявити.

Як це часто буває, про існування дзеркальної матерії весь інший світ (не СРСР) дізнався зовсім від інших людей - в 1991 році з'явилася відповідна стаття Роберта Фути з Університету Мельбурна. В даний час саме він є найвідомішим адептом дзеркальної теорії.

Темна проти дзеркальної

Інтерес до дзеркальної матерії в останні роки виник завдяки так званої проблеми прихованої маси, відомої також як темна матерія. Якщо коротко, то, спостерігаючи за обертаннями зірок навколо центрів різних галактик, вчені виявили, що світила на околицях рухаються занадто швидко. Традиційні моделі передбачають, що швидкість повинна бути обернено пропорційна квадратному кореню з відстані до осі обертання. У свою чергу, в дійсності швидкість залишається майже постійною. Щоб пояснити цей ефект, введено поняття прихованої маси, або темної матерії.

Що таке ця маса, поки ніхто не знає. В даний час одна з найбільш популярних гіпотез вважає, що прихована маса, що складається з небаріонної матерії. Фактично це означає, що частинки такої матерії майже не беруть участь в електромагнітному (звідси і назва «темна», адже світ є електромагнітне випромінювання), слабкому і сильному взаємодіях, проте добре беруть участь у гравітаційному. Однією з найбільш популярних зараз теорій є теорія вимпов - слабо взаимодействующих масивних частинок. Відразу кілька експериментів по всьому світу шукають таку матерію. Так от, дзеркальна матерія чудово підходить на роль темної матерії - адже, як ми пам'ятаємо, вона проявляє себе тільки за допомогою гравітаційної взаємодії. В даний час, однак, ця гіпотеза не дуже популярна, і, за винятком невеликої групи фізиків, нею ніхто не займається.

Результати двох італійських фізиків, Зураба Бережиани і Фабріціо Нести, можливо, можуть докорінно переламати цю ситуацію. Що ж такого зробили ці двоє? Вони опублікували в European Physical Journal статтю, в якій виклали власний аналіз даних експерименту фізика Анатолія Сереброва з Петербурзького інституту ядерної фізики Константинова. Серебров у французькому Інституті Лауе-Ланжевена експериментально вивчав процес змісту нейтронів в ультра-холодної нейтронної пастці. Йому вдалося встановити, що втрати становлять близько 1 відсотка нейтронів. Статистичний аналіз, проведений Бережиани і Нести, дозволив виявити з достатньою мірою впевненості, що втрата нейтронів не пов'язана з їх витіканню через стінки пастки.

Сам по собі цей факт досить цікавий, особливо якщо його вдасться підтвердити в інших експериментах. Проте в рамках роботи самі вчені пропонують несподіване пояснення. Саме цей процес начебто незрозумілий з точки зору стандартної фізики, то його можна пояснити так: нейтрони осциллируют, вагаючись між своїм звичним станом і дзеркальним. По суті частинки витікають у паралельний світ.

Головний недолік нової роботи у тому, що дослідники залишили колегам перевірку наслідків наявності таких осциляцій - досить часто виявляється, що екзотичні теорії вступають у протиріччя з експериментальними даними. Лише одиниці виживають в цій теоретичній битві і доходять до безпосередньої експериментальної перевірки.

З іншого боку, якщо факт наявності ніби як незрозумілого явища - витоку нейтронів - підтвердиться, це буде здорово. Тому що це цікаво.