velzevul (dubva1) wrote,
velzevul
dubva1

За кем осталось поле боя - наша Вселенная?

В
согласовании с уравнением Дирака встреча электрона с позитроном имеет для их
фатальные последствия – обе частички исчезают. Настолько умопомрачительный прогноз и его
экспериментальные доказательства произвели сильное воспоминание и на физиков, и
на нефизиков – как-никак это был 1-ый пример полной трансформации вещества в
излучение. Новооткрытый эффект окрестили аннигиляцией, что по латыни значит
полное ликвидирование






По сути утверждение о том, что взаимодействие частиц и античастиц постоянно тянет за собой рождение фотонов, ошибочно даже по отношению к электронам и позитронам. Свободная электронно-позитронная пара аннигилирует с образованием электрических квантов только в этом случае, если ее энергия не очень велика. Очень резвые электроны и позитроны способны порождать положительные и отрицательные пи-мезоны (они же пионы), плюс- и минус-мюоны, протоны и антипротоны, и даже еще больше томные частички - хватило бы только энергии. Неспешные протоны и антипротоны при аннигиляции дают начало заряженным и нейтральным пионам (а резвые - и другим частичкам), которые распадаются на гамма-кванты, мюоны и нейтрино. В принципе, столкновение частички и ее антикопии может дать на выходе всякую из композиций частиц, не нелегальных принципами симметрии и законами сохранения.

Может
показаться, что аннигиляция ничем не отличается от иных межчастичных
взаимодействий, но одна принципная особенность у нее имеется. Чтоб
постоянные частички, такие как протоны либо электроны, при встрече породили
ливень из экзотичных жителей микромира, их необходимо как надо разогнать.
Неспешные протоны при встрече просто изменят свою скорость – этим дело и
завершится. А вот протон и антипротон, сблизившись, или претерпят упругое
рассеяние и разойдутся, или аннигилируют и произведут на свет вторичные
частички.


Все
вышеперечисленное относится к аннигиляции свободных частиц. Если хотя бы одна из
их заходит в состав квантовой системы, в принципе ситуация остается прежней, но
кандидатуры меняются. К примеру, аннигиляция свободного электрона и
свободного позитрона никогда не может породить всего один квант – не позволяет
закон сохранения импульса. Это легче всего узреть, если работать в системе
центра инерции сталкивающейся пары, – тогда исходный импульс будет равен нулю
и поэтому никак не сумеет совпасть с импульсом единичного фотона, куда бы тот ни
улетел. Если же позитрон повстречается с электроном, входящим, скажем, в состав
атома водорода, вероятна и однофотонная аннигиляция – в данном случае часть
импульса передастся атомному ядру.


Как насчет антиграва?


Британский
физик Артур Шустер считал, что антиматерия гравитационно отталкивается от
обыкновенной материи, но современная наука считает это маловероятным. Из самых общих
принципов симметрии законов микромира следует, что античастицы должны
притягиваться друг к другу силами тяготения, подобно частичкам без приставки «анти».
Вопрос о том, каково гравитационное взаимодействие частиц и античастиц, до
конца еще не решен, но ответ на него практически очевиден.


Для начала
обратимся к эйнштейновской общей теории относительности. Она базирована на
принципе серьезного равенства гравитационной и инертной масс, при этом для обыденного
вещества это утверждение экспериментально доказано обилием точнейших
измерений. Так как инертная масса частички точно равна массе ее античастицы,
представляется очень возможным, что их гравитационные массы тоже равны. Но
это все-же предположение, пусть и очень правдоподобное, и средствами ОТО
оно недоказуемо.


Очередной
аргумент против гравитационного отталкивания меж веществом и антивеществом
следует из квантовой механики. Вспомним, что адроны (частички, принимающие
роль в сильных взаимодействях) сложены из кварков, склеенных глюонными
связями. В состав каждого бариона входят три кварка, в то время как мезоны
состоят из парных композиций кварков и антикварков, при этом не всегда одних и
тех же (мезон, в состав которого входят кварк и его свой антикварк,
является поистине нейтральной частичкой в том смысле, что он стопроцентно
идиетичен собственному антимезону). Но эти кварковые структуры нельзя считать
полностью размеренными. Протон, к примеру, скомпонован из 2-ух u-кварков, каждый
из которых несет простый электронный заряд +2/3, иодного d-кварка
с зарядом –1/3 (потому заряд протона равен +1). Но эти кварки в итоге
взаимодей-ствия с глюонами могут на очень куцее время поменять свою природу
а именно, преобразовываться в антикварки. Если частички и античастицы
гравитационно отталкиваются, вес протона (также, естественно, нейтрона)
должен давать слабенькие осцилляции. Но до сего времени ни в единой лаборатории
схожий эффект не нашли.


Можно не
колебаться, что когда-нибудь на этот вопрос ответит Его Величество
Опыт. Нужно-то малость – накопить побольше антивещества и
поглядеть, как оно поведет себя в поле земного тяготения. Но на техническом уровне
эти измерения неописуемо сложны, и тяжело предсказать, когда их получится
выполнить.


Так в чем все-таки разница?


После
открытия позитрона в течение четверти века практически все физики были убеждены, что
природа не лицезреет различий меж частичками и античастицами. Конкретнее,
числилось, что хоть какому физическому процессу с ролью частиц соответствует
вточности такой же процесс с ролью античастиц и осуществляются они оба с
схожей вероятностью. Наличные экспериментальные данные свидетельствовали,
что этот принцип соблюдается для всех 4 базовых взаимодействий
сильного, электрического, слабенького и гравитационного.


А позже
как-то сходу все резко поменялось. В 1956 году южноамериканские физики Ли Дзун-дао
и Янг Джень-нин выпустили удостоенную Нобелевской премии работу, в какой
они обсуждали затруднения, связанные с тем, что две, казалось бы, однообразные
частички, тэта-мезон итау-мезон, распадаются на различное число пионов.
Создатели выделили, что эту делему можно разрешить, если представить, что
такие распады связаны с процессами, нрав которых меняется при переходе от
правого клевому, по другому говоря, при зеркальном отражении (чуток позднее
физики сообразили, что в общем виде необходимо гласить об отражениях в каждой из 3-х
координатных плоскостей – либо, что то же самое, о смене символов всех
пространственных координат, пространственной инверсии). Это значит, что
зеркально отраженный процесс возможно окажется под запретом либо происходить с
другой вероятностью, ежели до отражения. Годом позднее южноамериканские
экспериментаторы (принадлежащие двум независящим группам и работавшие различными способами)
подтвердили, что такие процессы вправду есть.


Это было
только начало. Тогда же физики-теоретики из СССР и США поняли, что нарушение
зеркальной симметрии делает вероятным и нарушение симметрии относительно подмены
частиц на античастицы, что тоже было не один раз подтверждено в опытах.
Необходимо отметить, что незадолго до Ли и Янга, но все в том же 1956 году
возможность нарушения зеркальной симметрии обсуждали физик-экспериментатор
Мартин Блок и величавый теоретик Ричард Фейнман, но они так и не выпустили
этих суждений.


Физики
обычно обозначают зеркальное отражение латинской буковкой Р, а подмену частиц
на их античастицы – буковкой С. Обе симметрии нарушаются только впроцессах
с ролью слабенького взаимодействия, того самого, что несет ответственность за
бета-распад атомных ядер. Отсюда следует, что конкретно благодаря слабеньким
взаимодействиям есть различия в поведении частиц и античастиц.


Странноватое
нарушение зеркальной симметрии вызвало кжизни пробы кое-чем ее
восполнить. Уже в 1956 году Ли и Янг и независимо от их Лев
Ландау представили, что природа не делает различий меж системами, которые
получаются друг из друга совместным применением преобразований С и Р (так
именуемая СР-симметрия). Исходя из убеждений теории эта догадка смотрелась очень
убедительной и к тому же отлично ложилась на экспериментальные данные. Но
всего через восемь лет сотрудники Брукхейвенской государственной лаборатории
нашли, что один из незаряженных К-мезонов (либо, как их еще именуют,
каонов) может распадаться на пионную пару. При серьезном соблюдении СР-симметрии
такое перевоплощение нереально – и как следует, эта симметрия не универсальна!
Правда, толика как бы нелегальных распадов не превосходила 0,2%, но все они же
имели место! Это открытие принесло руководителям брукхейвенской команды Джеймсу
Кронину и Вэлу Фитчу Нобелевскую премию по физике.


Симметрия и антиматерия


Нарушения
СР-симметрии конкретно связаны с различием материи от антиматерии. В конце
1990-х годов в ЦЕРН провели очень прекрасный опыт с нейтральными каонами
К0, любой из которых состоит из d-кварка и поболее громоздкого необычного
антикварка. Законы природы позволяют антикварку утратить часть энергии и
перевоплотиться в анти-d. Высвободившаяся энергия может пойти на распад каона,
но не исключено, что примыкающий d-кварк всосет ее и перевоплотится
встранный кварк. В итоге этого возникнет частичка, состоящая из
анти-d-кварка и необычного кварка, другими словами нейтральный антикаон. Формально это
перевоплощение можно обрисовать как итог внедрения к каону СР-преобразования!


Таким
образом, если СР-симметрия соблюдается полностью строго, то нейтральные каоны
К0 перебегают в свои античастицы с вточности такой же вероятностью, с какой те
претерпевают оборотные перевоплощения. Хоть какое нарушение СР-симметрии повлечет за
собой изменение одной из этих вероятностей. Если приготовить пучок из равного
числа нейтральных каонов и антикаонов и проследить динамику концентрации тех и
других частиц, можно узнать, уважают ли их квантовые осцилляции СР-симметрию.


Конкретно это
и сделали физики из ЦЕРН. Они узнали, что нейтральные антикаоны становятся
каонами немножко резвее, чем преобразуются в антикаоны. По другому говоря, был
найден процесс, в процессе которого антиматерия преобразуется в материю резвее,
чем материя – в антиматерию! В консистенции с вначале равными толиками вещества и
антивещества с течением времени появляется пусть маленький, но все таки поддающийся
измерению излишек вещества. Таковой же эффект был выявлен в опытах и с
другими томными нейтральными частичками – D0-мезонами и B0-мезонами.


Таким макаром,
к концу ХХ века экспериментаторы внушительно обосновали, что слабенькие
взаимодействия по-разному оказывают влияние на частички и античастицы. Хотя эти различия
сами по для себя очень малы и выявляются только в процессе неких перевоплощений очень
экзотичных частиц, все они совсем реальны. Это и значит наличие
физической асимметрии меж материей и антиматерией.


Для
полноты картины необходимо отметить очередное событие. В 1950-х годах было
подтверждено важное положение релятивистской квантовой механики – СРТ-теорема. Она
говорит, что частички и античастицы строго симметричны по отношению к
СР-преобразованию, за которым следует воззвание времени (строго говоря, эта
аксиома верна только без учета гравитации, в неприятном случае вопрос остается
открытым). Как следует, если в каких-либо процессах не соблюдается
СР-симметрия, их скорость в «прямом« и «обратном« направлениях (что считать тем
и другим, естественно, вопрос соглашения) должна быть неодинаковой. Конкретно это и
обосновали опыты в ЦЕРН с нейтральными каонами.


Где же антимиры?


В 1933 году
Поль Дирак был уверен, что в нашей Вселенной есть целые острова
антивещества, очем и упомянул в собственной нобелевской лекции. Но
современные ученые считают, что таких островов нет ни в нашей Галактике, ни за
ее пределами.


Естественно,
антиматерия как такая существует. Античастицы порождаются многими
высокоэнергетическими процессами – скажем, термоядерным горением звездного
горючего и взрывами сверхновых звезд. Они появляются воблаках замагниченной
плазмы, окружающих нейтронные звезды и темные дыры, во время столк-новений
стремительных галлактических частиц в межзвездном пространстве, при бомбардировке земной
атмосферы галлактическими лучами и, в конце концов, в опытах на ускорителях. Не считая
того, распад неких радионуклидов сопровождается образованием античастиц
аименно позитронов. Но все это только античастицы, аотнюдь не
антивещество. До сего времени никому не удалось найти даже галлактический
антигелий, не говоря уж об элементах потяжелее. Не увенчался фуррором и поиск
гамма-излучения со специфичным диапазоном, обусловленного аннигиляцией на
границах галлактических скоплений материи и антиматерии.


В научной
литературе временами возникают сообщения об открытии необычных
первичных источников галлактических античастиц непонятного происхождения. В апреле
2009 года были размещены данные о таинственном излишке очень стремительных
позитронов, зарегистрированном детекторным комплексом PAMELA. Эта аппаратура
расположена на борту русского спутника «Ресурс-ДК1», 15 июня 2006 года
отправленного на околоземную орбиту с космодрома Байконур. Некие специалисты
интерпретировали этот итог как вероятное свидетельство аннигиляции
гипотетичных частиц черной материи, но скоро появилось и не настолько
экзотичное разъяснение. Эту догадку прокомменитировал для «ПМ» узнаваемый
спец по галлактическим лучам Вениамин Березинский из Государственной
лаборатории Гран-Сассо, входящей всостав итальянского Государственного
института ядерной физики: «Стандартная модель рождения галактических
галлактических лучей лежит на 3-х положениях. Первым и главным источником
заряженных частиц считают остатки сверхновых. 2-ая мысль – частички
ускоряются до ультрарелятивистских скоростей на фронтах послевзрывных
ударных волн, при этом в этом ускорении очень велика роль их собственного
магнитного поля. Третье положение состоит в том, что галлактические лучи
распространяются диффузионно. Мой прошлый студент, а сейчас доктор
Государственного института астрофизики Паскуале Блази показал, что излишек
позитронов, обнаруженный комплексом PAMELA, полностью согласуется с этой моделью.
Разогнанные в ударных волнах протоны сталкиваются с частичками галлактического газа
и конкретно в этой зоне собственного ускорения преобразуются в положительные пионы,
которые распадаются с образованием позитронов и нейтрино. Согласно вычислениям Блази,
этот процесс полностью может дать конкретно такую концентрацию позитронов, которую
выявила PAMELA. Схожий механизм генерации позитронов смотрится полностью
естественно, но почему-либо до сего времени он никому не приходил в голову. Блази
показал также, что эти же процессы должны генерировать и лишниие
антипротоны. Но поперечное сечение их рождения много меньше соответственной
величины для позитронов, из-за чего их можно зарегистрировать только при более
больших энергиях. Думаю, что с течением времени это станет возможным».


В общем,
пока все гласит за то, что в космосе нет ни антизвезд, ни антипланет, ни даже
самых маленьких антиметеоров. С другой стороны, принятые модели Огромного
взрыва говорят, что скоро после рождения наша Вселенная содержала однообразное
количество частиц и античастиц. Так почему же 1-ые сохранились, а 2-ые
пропали? Ответ на этот вопрос читайте в последующем номере «ПМ».





Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments