Клуб любознательных26 октября 2017 19:30

Появлению Вселенной сопутствовала какая-то загадочная хитрость

Физики обмерили антипротон и теперь недоумевают: наш материальный мир должен был погибнуть, едва родившись
Верующие не стали бы долго искать автора "хитрости", которая привела к сотворению мира.

Верующие не стали бы долго искать автора "хитрости", которая привела к сотворению мира.

Эксперимент, который провели ученые коллаборации BASE (Baryon Antibaryon Symmetry Experiment) Европейского центра по ядерным исследованиям (CERN) продемонстрировал: магнитные моменты протона и антипротона отличаются лишь знаками, а в численном выражении сходятся с рекордной точностью. По сути они равны. А это еще раз доказывает, что «материальный» протон и «антиматериальный» антипротон — симметричные частицы, зеркальное отражение друг друга.

- Мы наблюдаем, что материя и антиматерия являют полную симметрию, из чего следует, что Вселенная на самом деле не должна бы существовать, - заявил Кристиан Сморра (Christian Smorra) — руководитель эксперимента, анализируя его результаты.

По мнению ученого, асимметрия все же должна где-то быть. Просто пока не понятно где именно. Равно как и не известно, что собственно нарушило симметрию.

О чем речь? Какое отношение материя и антиматерия имеют к образованию и существованию Вселенной?

Поясню. Все материальные частицы во Вселенной имеют двойников - античастицы — равные по массе, но с противоположным зарядом или магнитным моментов. Нормальная, так называемая барионная материя — та самая, которая нас окружает, состоит из протонов, нейтронов и электронов, имеющих отрицательный заряд. Антиматерию формируют антипротоны, антинейтроны и положительных позитроны.

Частицы и античастицы ничем не лучше друг друга. Образно говоря, материя и антиматерия равны перед Богом. И по здравому разумению, в момент рождения Вселенной - в результате Большого Взрыва - вещество и антивещества должны было бы образоваться в равных количествах. Далее частицам и античастицам следовало бы тут же аннигилировать - исчезнуть со вспышкой света. То есть, ни о какой Вселенной не могло быть и речи. На что как раз и намекает Кристиан Сморра. Однако, если ощущения нас не обманывают, то Вселенная все же существует. А раз так, то материи по какой-то загадочной причине стало больше, чем антиматерии. То есть, возникла асимметрия - барионная асимметрия, как ее называют по-научному. Которая и привело, в итоге, к появлению всего сущего. Включая нас с вами.

Вот Сморра и недоумевает, не видя ее — эту самую асимметрию. Не понимает, что так удачно перекосило народившееся мироздание. Ученому впору перекреститься.

ПОДРОБНОСТИ

Антипротоны — продукт скоропортящийся

Коллаборация BASE, сравнившая магнитные моменты протона и антипротона, международная, включает несколько исследовательских организаций из Японии и Германии (RIKEN research center, Japan, the Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg, Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), the University of Tokyo, GSI Darmstadt, Leibniz Universität Hannover, and the German National Metrology Institute (PTB) in Braunschweig).

Исследовательская установка в CERN, с помощью которой ученые BASE определяли магнитный момент антипротона.

Антипротоны для экспериментов ученые получили посредством Большого адронного коллайдера и антипротонного замедлителя (Antiproton Decelerator, AD). Коллайдер рождает антипротоны, а замедлитель их «отлавливает». И направляет в магнитную ловушку — ловушку Пеннинга (Penning trap), в который частицы антиматерии охлаждены и изолированы от материи электромагнитным экраном. Иначе антипротоны мгновенно бы аннигилировали. Как выпущенное из ловушки антивещество в романе Дэна Брауна «Ангелы и демоны».

Готовясь к эксперименту, специалисты BASE поставили своеобразный рекорд — сохраняли наловленные антипротоны 405 дней.

Магнитная ловушка Пеннинга, в которой хранились антипротоны.

Рекордной стала и точность определения магнитного момента антипротона. Она в 6 раз превысила предыдущее достижение. Значение магнитного момента антипротона ученые определили в 2.792847344 ядерных магнетонов со знаком минус. Ядерный магнетон — эта такая единица в системе СИ, которой принято измерять магнитные моменты тяжелых частиц. Магнитный момент антипротона сравнили с магнитным моментов протона. В BASE измерили его с очень высокой точностью еще в 2014 году. Никакой разницы, за исключением знака магнитного момента, выявить не удалось — по крайне мере, в тех 9 знаках после запятой.

Ученые не собираются останавливаться на достигнутом. В ближайшем будущем они намерены повысить точность измерений, как минимум, в 10 раз. Тем самым удалось бы добыть в значениях магнитных моментов протона и антипротона еще несколько знаков после запятой. У физиков еще теплится надежда - вдруг разница все же найдется.

Нынешние результаты опубликованы в журнале Nature.

ГИПОТЕЗЫ

Симметрию нарушил второй Большой взрыв

Физиков ставит в тупик не только барионная асимметрия. Не понимают они пока, почему существует так называемая темная материя - невидимая никому. По идее она должна была бы тоже аннигилировать, взаимодействуя с видимой материей. Но темная материя почему-то не аннигилировала. И ее доля во Вселенной, по распространенным ныне представлениям, аж 85 процентов.

Доктор Хуман Давудьясл (Dr Hooman Davoudiasl) - физик-теоретик из Брукхейвенской национальной лаборатории (Brookhaven National Laboratory, New York) - догадался, что создало «темный перекос» О чем сообщил в журнале Physical Review Letters. По мнению ученого и его коллег, "поворотным" стало событие, случившееся сразу же после Большого Взрыва - буквально через минуту-другую. А именно: вслед за одним Большим Взрывом последовал второй. Правда, не столь мощный, как первый.

Выражаясь более научно, Давудьясл допустил существование короткого периода вторичной инфляции, которой и повлек за собой дальнейшую эволюцию Вселенной.

Новаторы не исключают, что Больших Взрывов было, как минимум, два. А то и больше.

Согласно теории Давудьясла события развивались примерно так: грянул Большой Взрыв, началось стремительное расширение пространства, появилась не очень обширная, но очень горячая Вселенная, раскаленная до миллиардов градусов. В ограниченном объеме сталкивались и аннигилировали частицы темной материи, которые передавая свою энергию обычным - видимым - частицам. И если бы подобный процесс продолжился, то темной материи не осталось бы. Но тут, как предполагает новая теория, подоспел второй Большой Взрыв, который мгновенно добавил объема и развел частицы, тем самым сохранив обилие темной материи.

Точно так же второй Большой Взрыв мог отделить и вещество от антивещества, создав тем самым барионную асимметрию.

- Конечно, такая теория не вписывается в стандартную космологию, - говорит Давудьясл. - Но Вселенная столь сложна, что может и не соответствовать тем представлениям, которые мы о ней придумали.

Лихо закручено

Еще в 2001 году профессор Танмэй Вачаспати (Tanmay Vachaspati) из Университета штата Аризона (Arizona State University) предложил оригинальную идею. Мол, материя и антиматерия действительно образовались в равных количествах. Аннигилировали. Но при этом порождали не вспышки, а превращались в магнитные монополи и антимонополи: некие гипотетические частицы с одним магнитным полюсом - северным или южным (каждый "нормальный" магнит имеет два полюса одновременно - северный и южный).

Монополи и антимонополи тоже аннигилировали, превращаясь, в свою очередь, в материю и антиматерию. А вот тут уже, благодаря так называемому нарушению СР-инвариантности или СР-симметрии, и возник перекос, в результате которого материи стало гораздо больше.

Если сотворение мира происходила так, как предположил Вачаспати, то во Вселенной должны остаться следы этого процесса. А именно закрученные магнитные поля, образованные "ископаемыми" магнитными монополями, ставшими доминирующими. Эдакие гигантские спирали, закрученные в левую сторону.

Астрономы разглядели в космосе гигантские спирали.

Долгие годы Вачаспати с коллегами искали следы. И нашли - циклопические области во Вселенной, пронизанные закрученными магнитными полями. На них вывел космический гамма телескоп "Ферми" (NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope), регистрирующий гамма-излучение. Спиральные магнитные поля "закрутили винтом" и проходящее сквозь них гамма-лучи. Закрутили, что характерно, конкретно в левую сторону. Что и удалось увидеть.