Антивещество это: АНТИВЕЩЕСТВО | Энциклопедия Кругосвет

АНТИВЕЩЕСТВО | Энциклопедия Кругосвет

АНТИВЕЩЕСТВО, вещество, состоящее из атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами – электронами с положительным электрическим зарядом. В обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. койнос – обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество – тоже вещество, его разновидность. Антивещество обладает такими же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной частице соответствует античастица; обе имеют почти одинаковые характеристики, за исключением того, что у них противоположный электрический заряд. (Если частица нейтральна, то античастица также нейтральна, но они могут различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица и античастица тождественны друг другу.) Так, электрону – отрицательно заряженной частице – соответствует позитрон, а античастицей протона с положительным зарядом является отрицательно заряженный антипротон. Позитрон был открыт в 1932, а антипротон – в 1955; это были первые из открытых античастиц. Существование античастиц было предсказано в 1928 на основе квантовой механики английским физиком П.Дираком.

При столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция, т.е. обе частицы исчезают, а из точки их столкновения испускаются два гамма-кванта. Если сталкивающиеся частицы движутся с небольшой скоростью, то энергия каждого гамма-кванта составляет 0,51 МэВ. Эта энергия есть «энергия покоя» электрона, или его масса покоя, выраженная в единицах энергии. Если же сталкивающиеся частицы движутся с большой скоростью, то энергия гамма-квантов будет больше за счет их кинетической энергии. Аннигиляция происходит и при столкновении протона с антипротоном, но процесс в этом случае протекает гораздо сложнее. В качестве промежуточных продуктов взаимодействия рождается ряд короткоживущих частиц; однако спустя несколько микросекунд как окончательные продукты превращений остаются нейтрино, гамма-кванты и небольшое число электрон-позитронных пар. Эти пары в конечном итоге могут аннигилировать, создавая дополнительные гамма-кванты. Аннигиляция происходит и при столкновении антинейтрона с нейтроном или протоном.

Коль скоро существуют античастицы, возникает вопрос, не могут ли из античастиц образовываться антиядра. Ядра атомов обычного вещества состоят из протонов и нейтронов. Самым простым ядром является ядро изотопа обычного водорода 1H; оно представляет собой отдельный протон. Ядро дейтерия 2H состоит из одного протона и одного нейтрона; оно называется дейтроном. Еще один пример простого ядра – ядро 3He, состоящее из двух протонов и одного нейтрона. Антидейтрон, состоящий из антипротона и антинейтрона, был получен в лаборатории в 1966; ядро анти-3He, состоящее из двух антипротонов и одного антинейтрона, было впервые получено в 1970.

Согласно современной физике элементарных частиц, при наличии соответствующих технических средств можно было бы получить антиядра всех обычных ядер. Если эти антиядра окружены надлежащим числом позитронов, то они образуют антиатомы. Антиатомы обладали бы почти в точности такими же свойствами, как и обычные атомы; они образовали бы молекулы, из них могли бы формироваться твердые тела, жидкости и газы, в том числе и органические вещества. Например, два антипротона и одно ядро антикислорода вместе с восемью позитронами могли бы образовать молекулу антиводы, сходную с обычной водой H2O, каждая молекула которой состоит из двух протонов ядер водорода, одного ядра кислорода и восьми электронов. Современная теория элементарных частиц в состоянии предсказать, что антивода будет замерзать при 0° С, кипеть при 100° С и в остальном вести себя подобно обычной воде. Продолжая такие рассуждения, можно прийти к выводу, что построенный из антивещества антимир был бы чрезвычайно сходен с окружающим нас обычным миром. Этот вывод служит отправной точкой теорий симметричной Вселенной, основанных на предположении, что во Вселенной равное количество обычного вещества и антивещества. Мы живем в той ее части, которая состоит из обычного вещества.

Если привести в соприкосновение два одинаковых куска из веществ противоположного типа, то произойдет аннигиляция электронов с позитронами и ядер с антиядрами. При этом возникнут гамма-кванты, по появлению которых можно судить о происходящем. Поскольку Земля по определению состоит из обычного вещества, в ней нет заметных количеств антивещества, если не считать мизерного числа античастиц, рождающихся на больших ускорителях и в космических лучах. То же самое относится и ко всей Солнечной системе.

Наблюдения показывают, что в пределах нашей Галактики возникает лишь ограниченное количество гамма-излучения. Отсюда ряд исследователей делают вывод об отсутствии в ней сколько-нибудь заметных количеств антивещества. Но этот вывод не бесспорен. В настоящее время нет способа определить, например, состоит ли данная близкая звезда из вещества или антивещества; звезда из антивещества испускает точно такой же спектр, как и обычная звезда. Далее, вполне возможно, что разреженное вещество, заполняющее пространство вокруг звезды и тождественное веществу самой звезды, отделено от областей, заполненных веществом противоположного типа – очень тонкими высокотемпературными «слоями Лейденфроста». Таким образом, можно говорить о «ячеистой» структуре межзвездного и межгалактического пространства, в которой каждая ячейка содержит либо вещество, либо антивещество. Эту гипотезу подкрепляют современные исследования, показывающие, что магнитосфера и гелиосфера (межпланетное пространство) имеют ячеистую структуру. Ячейки с разной намагниченностью и иногда также с разными температурой и плотностью разделены очень тонкими токовыми оболочками. Отсюда следует парадоксальный вывод, что указанные наблюдения не противоречат существованию антивещества даже в пределах нашей Галактики.

Если раньше не было убедительных аргументов в пользу существования антивещества, то теперь успехи рентгеновской и гамма-астрономии изменили положение. Наблюдались явления, связанные с огромным и часто в высшей степени беспорядочным выделением энергии. Вероятнее всего, источником такого энерговыделения была аннигиляция.

Шведский физик О.Клейн разработал космологическую теорию, основанную на гипотезе симметрии между веществом и антивеществом, и пришел к выводу, что процессы аннигиляции играют решающую роль в процессах эволюции Вселенной и формирования структуры галактик.

Становится все более очевидным, что основная альтернативная ей теория – теория «большого взрыва» – серьезно противоречит данным наблюдений и центральное место при решении космологических проблем в ближайшем будущем, скорее всего, займет «симметричная космология».

Роли антивещества в проблемах космологии посвящена книга автора Миры – Антимиры: Антиматерия в космологии (1966). См. также КОСМОЛОГИЯ В АСТРОНОМИИ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ.

Проверь себя!
Ответь на вопросы викторины «Астрономия»

Какая планета солнечной системы была открыта последней?

Пройти тест

Что такое антивещество?

Мы живем во вселенной, где куча вещества и по большому счету совсем нет антивещества. Двое наших читателей хотят знать, что такое антивещество, и на этот вопрос им дает ответ физик.

Антивещество. От этого слова веет увлекательными книгами и фильмами, в которых злодеи добираются до взрывчатки из антивещества или космические корабли перемещаются на таком топливе.

Но что из себя представляет эта субстанция — что такое, по сути, антивещество?

Это очень хотелось бы знать читателям «Виденскаб». Они прочитали кое-какие из множества статей, которые мы публиковали об опытах физиков с антивеществом, но с удовольствием узнали бы больше.

Во-первых, мы должны уточнить, что нельзя путать антивещество физиков с теми антителами, которые известны нам из биологии и медицины. Там антитела (которые еще называют иммуноглобулинами) — это особые белковые соединения, часть защиты организма против болезней. Они могут связываться с чужеродными молекулами и тем самым защищать тело от микроорганизмов и вирусов.

Но здесь мы будем говорить не о них. Мы связались с ученым из мира физики: преподаватель кафедры физики и астрономии Орхусского университета Николай Синнер (Nikolaj Zinner) с радостью расскажет нам об антивеществе.

Вещество с противоположным зарядом

«Все те частицы, которые, как мы знаем, есть в природе, все, из чего состоит наш мир, существует в вариантах с противоположным зарядом. Это и есть антивещество», — говорит Николай Синнер.

«Антивещество выглядит точно так же и имеет ту же массу, что и обычное вещество, но при этом обладает ровно противоположным зарядом. Например, у положительно заряженных позитронов есть негативно заряженные электроны. Позитроны — античастицы электронов».

«В повседневной жизни мы с антивеществом не сталкиваемся, но оно возникает во многих ситуациях, например, при радиоактивном распаде, под воздействием космического излучения и в ускорителях. Оно просто очень быстро снова исчезает. Когда позитрон встречается с электроном, в результате получается чистая энергия виде двух световых частиц с высокой энергией — квантов».

Исчезает вспышкой света

«Вот электрон и позитрон, у них противоположные заряды, поэтому они притягиваются. Они могут подойти очень близко друг к другу, и когда это происходит, они сливаются и образуют два фотона. Это следствие законов природы, — рассказывает Николай Синнер. — Масса двух частиц превращается в энергию в форме двух частиц — квантов гамма-излучения».

«Если бы у вас было много антивещества, и вы позволили бы ему проконтактировать с обычным веществом, то вызвали бы очень мощную реакцию. И наоборот: энергию можно преобразовать в вещество и антивещество, и это происходит в ускорителях частиц».

Используется в медицинских сканерах

Именно это явление, когда встреча вещества и антивещества приводит к их исчезновению и высвобождению энергии, наверное, в первую очередь и завораживает авторов научной фантастики.

Например, антивещество играет важную роль в «Ангелах и демонах» Дэна Брауна (Dan Brown), а в «Звездном пути» межзвездные корабли работают на антивеществе.

Но в реальном мире у антивещества — более мирное применение.

Антивещество в виде позитронов, возникающих в результате распада радиоактивных материалов, используется в больницах в сканерах ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография), которые могут сделать снимки внутренних органов и обнаружить в них нездоровые процессы.

«То есть антивещество не такое уж и мистическое. Это часть природы, которой мы с удовольствием пользуемся», — говорит Николай Синнер.

А еще мы подвергаем себя воздействию антивещества, поедая бананы. Они содержат калий, который немного радиоактивен и выделяет позитроны при распаде. Примерно каждые 75 минут банан испускает позитрон, который быстро сталкивается с каким-нибудь электроном, и они превращаются в два гамма-фотона.

Но это все совершенно не опасно. Чтобы получить дозу излучения, соответствующую той, что мы получаем, делая рентгеновский снимок, нам придется поглотить несколько сотен бананов.

Его предсказали еще до открытия

Лучше понять, что такое антивещество, можно, если посмотреть на историю его открытия. Интересно, что существование антивещества предсказали еще до того, как оно было обнаружено.

В 1920-х годах оказалось, что новая теория, названная квантовой механикой, отлично подходит для описания мельчайших частиц вещества — атомов и элементарных частиц. Но не так легко было совместить квантовую механику со второй великой теорией XX века — теорией относительности.

С помощью этого уравнения стало возможным описать движение электрона, даже если его скорость приближалась к скорости света.

Но уравнение приготовило сюрприз. У него было два решения, точно так же, как у уравнения «x²=4»: x=2 и x=-2». То есть, оно могло описывать не только всем хорошо известный электрон, но и другую частицу — электрон с негативной энергией.

Обнаружен в камере Вильсона

Тогда о частицах с отрицательной энергией ничего не знали, и Поль Дирак интерпретировал свое открытие так: может существовать частица, совершенно такая же, как электрон, за исключением противоположного заряда.

Если у электрона — негативный заряд, то должна существовать и соответствующая частица с позитивным зарядом. Согласно расчетам, то же правило должно касаться всех элементарных частиц, то есть вообще всех частиц, из которых состоит мир.

Читать далее.

Создание антивещества | Ангелы и демоны

Мы не находим вокруг себя антиматерию; чтобы изучать антивещество, его нужно создать.

Преобразование энергии в массу

Когда достаточное количество энергии помещается в очень маленькое пространство, например, во время столкновений высокоэнергетических частиц в ЦЕРНе, пары частица-античастица образуются спонтанно. Энергия, переданная ускоренным частицам, должна быть по крайней мере эквивалентна массе новых частиц, чтобы это произошло; чем больше энергии вкладывается в столкновения частиц, тем более массивные частицы и античастицы могут образоваться.

Когда энергия превращается в массу, материя и антиматерия создаются в равных количествах.

Это созданное компьютером изображение фактической аннигиляции антиводорода в эксперименте ATHENA в ЦЕРН в 2002 году. В результате аннигиляции антипротона образуются четыре заряженные частицы (желтые линии), которые регистрируются в детекторе (желтый и розовый блоки). Позитрон аннигилирует с образованием встречных гамма-лучей (красный). » увеличенная версия

Антиматерия в ЦЕРН

Антиматерия производится во многих экспериментах в ЦЕРНе. При столкновениях на Большом адронном коллайдере образующиеся античастицы не могут быть захвачены из-за их очень высокой энергии — они безвредно аннигилируют в детекторах. Деселератор антипротонов в ЦЕРН производит гораздо более медленные антипротоны, которые можно захватить. Затем эти антипротоны можно изучить, чтобы ответить на такие вопросы, как: падают ли античастицы вверх?

Производство антиматерии на практике

В ЦЕРН протоны с энергией 26 ГэВ (примерно в 30 раз больше их массы в состоянии покоя) сталкиваются с ядрами внутри металлического цилиндра, называемого мишенью. При каждом миллионе столкновений образуется около четырех пар протон-антипротон. Антипротоны отделяются от других частиц с помощью магнитных полей и направляются к замедлителю антипротонов, где их скорость замедляется с 96% до 10% скорости света. Они выбрасываются и проходят через лучевые трубы в эксперименты, где их ловят и сохраняют.

Ваше тело излучает антивещество!

Тело человека весом 80 кг излучает 180 позитронов в час! Это происходит из-за распада калия-40, встречающегося в природе изотопа, который попадает в организм с питьевой водой, пищей и дыханием.

Изображение: © sciencephoto.com, воспроизведено с разрешения.

Небольшие, очень небольшие количества

Даже если бы ЦЕРН использовал свои ускорители только для производства антивещества, он мог бы производить не более одной миллиардной доли грамма в год. Таким образом, для создания 1 г антивещества — количества, произведенного Ветрой в фильме, — потребуется около 1 миллиарда лет.

Общее количество антиматерии, произведенной за всю историю ЦЕРН, составляет менее 10 нанограммов, что соответствует энергии, достаточной лишь для питания 60-ваттной лампочки в течение 4 часов.

Стоимость антиматерии

Эффективность производства и хранения антиматерии очень низкая. Для создания антивещества требуется примерно в 1 миллиард раз больше энергии, чем в конечном итоге содержится в его массе. Используя E = mc 2 , мы находим, что 1 грамм антивещества содержит:

0,001 кг x (300 000 000 м/с) 2 = 90 000 ГДж = 25 миллионов кВтч

Принимая во внимание низкую эффективность производства, для производства одного грамма потребуется 25 миллионов миллиардов кВтч! Даже по сниженной цене на электроэнергию это будет стоить более миллиона миллиардов евро!

Что это такое и почему оно не уничтожило вселенную?

Звучит как научная фантастика: у нормальной материи есть «злой двойник», который уничтожается, как только они вступают в контакт. Но эта антиматерия вполне реальна и, несмотря на десятилетия изучения, остается очень загадочной. Так что же такое на самом деле антивещество? Где это находится? Почему важно, чтобы мы это понимали? И почему он еще не уничтожил вселенную?

Что такое антивещество?


Как бы странно это ни звучало, антивещество по сути ничем не отличается от обычного вещества, за исключением того, что его частицы имеют противоположный заряд. Но это простое различие имеет некоторые важные последствия: если когда-нибудь частица и ее античастица встретятся, они аннигилируют друг друга во взрыве энергии.

К счастью для нас, антиматерия чрезвычайно редка. Он вырабатывается естественным образом в крошечных количествах при взаимодействии с космическими лучами, во время ураганов и гроз, а также как часть некоторых видов радиоактивного распада — на самом деле, все, что содержит калий-40, время от времени выбрасывает частицы антивещества. Это включает в себя бананы и да, даже вас. Но не волнуйтесь, он не уйдет далеко, прежде чем столкнется с электроном и снова исчезнет.

Искусственно антиматерия в основном производится на ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, но опять же только в мизерных количествах, и обычно она не сохраняется долго.

Часть эксперимента BASE в ЦЕРН, где антивещество производится и хранится в лаборатории

CERN

У каждой частицы есть эквивалентная античастица — например, есть антипротон, антинейтрон и антиэлектрон (более известный как позитрон). Некоторые частицы, например фотоны, на самом деле являются античастицами сами по себе.

Эти античастицы также могут соединяться с образованием антиатомов, например, антипротон и антиэлектрон могут образовывать атом антиводорода. У каждого элемента должен быть эквивалент антиматерии, и они должны обладать всеми теми же свойствами, что и их аналоги из обычной материи, за исключением заряда.

Конечно, антиматерия по своей природе не «хуже», чем обычная материя — мы просто определяем ее как «анти», потому что она обратна тому, к чему мы привыкли. Но если где-то там есть существа из антиматерии, живущие на планете из антиматерии, вращающиеся вокруг звезды из антиматерии в галактике из антиматерии (что, кстати, теоретически возможно) — они, вероятно, поменяют местами ярлыки материи и антиматерии. .

Антиматерию легко спутать с темной материей, но они очень разные. Предполагается, что темная материя распространена по всей Вселенной, и, хотя существует множество свидетельств ее существования, она все еще ускользает от прямого обнаружения. Антиматерия, с другой стороны, чрезвычайно редка, но подтверждена экспериментально и является предметом постоянного изучения.

Итак, как мы изучаем антивещество?


Ученые на таких объектах, как ЦЕРН, могут создавать антиматерию, сталкивая определенные частицы вместе в ускорителе, который создает поток пар материи и антиматерии. Когда эти пары разделены, антивещество можно сохранить и изучить.

Тем не менее, это сложная процедура, поэтому искусственно было получено всего несколько десятков нанограммов. Это также делает его самым дорогим в производстве материалом в мире: по оценкам ученых, его стоимость составляет до 25 миллиардов долларов США за грамм. Часть трудностей и затрат связана с хранением, потому что, конечно, это не так просто, как просто засунуть его в банку, поскольку он уничтожит большинство контейнеров при контакте.

Итак, ученые используют так называемую ловушку Пеннинга. Частицы антиматерии подвешены внутри вакуумной камеры электромагнитными полями, что удерживает их от боковых сторон. Используя этот метод, ученым впервые удалось уловить атомы антиводорода на несколько долей секунды в 2010 году, а затем увеличить это время до более чем 16 минут в 2011 году. Текущий рекорд — хранение антипротонов в течение 405 дней.

Если хранение антиматерии кажется сложной задачей, то ее транспортировка представляет собой совершенно другой уровень сложности. В 2020 году ЦЕРН подробно описал новую конструкцию ловушки, которую можно было бы использовать для перемещения больших количеств антивещества на большие расстояния.

Полное поперечное сечение транспортного устройства BASE-STEP

Christian Smorra

Устройство под названием BASE-STEP будет состоять из двух ловушек Пеннинга, одна из которых принимает и выпускает антипротоны, а другая хранит их для транспортировки. Ловушки будут окружены сверхпроводящим магнитом мощностью 1 Тесла, чтобы стабилизировать их, а слой жидкого гелия будет охлаждать систему в течение длительных периодов времени. Весь блок достаточно мал, чтобы его можно было загрузить на грузовик, который затем мог бы транспортировать антиматерию на другие объекты для более подробного изучения.

Достаточно, чтобы задаться вопросом, почему мы вообще беспокоимся, но антиматерия обладает огромным технологическим потенциалом. Фактически, он уже нашел одно полезное применение, которое вы, возможно, испытали на себе.

Для чего мы можем использовать антивещество?


Если вам когда-либо делали ПЭТ, значит, врачи наблюдали за вашим телом в поисках событий аннигиляции антивещества внутри вас. Это прямо в названии — ПЭТ расшифровывается как позитронно-эмиссионная томография, а позитрон — это версия электрона из антивещества.

ПЭТ-сканирование работает путем введения пациентам радиоактивных индикаторных химических веществ, которые испускают позитроны при распаде своих частиц. Затем эти позитроны сталкиваются с электроном в ткани пациента, испуская фотоны гамма-излучения, которые фиксируются специальной камерой. Отслеживая эти события, врачи могут реконструировать трехмерные изображения органов и опухолей.

ПЭТ-сканирование пациента, показывающее нормальное накопление индикаторного красителя в сердце и почках, а также опухоль в печени

Йенс Маус

Если антивещество когда-либо будет производиться или собираться в больших масштабах, мы сможем использовать его для более революционных приложений. Энергия, высвобождаемая при столкновении материи и антиматерии, огромна: всего один грамм каждой из них произвел бы примерно энергию атомной бомбы мощностью 40 килотонн. Использование этого может помочь очень эффективно продвигать космические корабли далекого будущего через Вселенную — всего нескольких десятков миллиграммов антивещества было бы достаточно, чтобы отправить корабль на Марс.

Темная сторона, однако, заключается в том, что антиматерия может стать оружием невероятной разрушительной силы, но, к счастью, непомерно высокая стоимость удерживает это в сфере романов Дэна Брауна. На данный момент.

Но прежде чем строить какие-либо грандиозные планы относительно антивещества, нам нужно изучить его более подробно. В конце концов, есть некоторые фундаментальные вопросы, на которые у нас до сих пор нет ответов.

Большие антивопросы


Помимо противоположного заряда, материя и антиматерия должны быть в основном одинаковыми и подчиняться одним и тем же законам физики, но ударение здесь делается на «должен». Предположения не делают твердой науки, поэтому физики на всякий случай перепроверяют основы, потому что любые аномалии могут указывать на совершенно новую главу Стандартной модели физики элементарных частиц.

Например: у каждого элемента и соединения есть уникальный отпечаток, называемый его спектром излучения, в зависимости от того, какие длины волн света они поглощают и какие излучают. Согласно Стандартной модели, атомы материи и антиматерии одного и того же элемента должны иметь одинаковый спектр, но только в 2016 году ученые ЦЕРНа наконец проверили это. Команда исследовала атомы антиводорода лазером, чтобы измерить его спектр, и обнаружила, что он соответствует спектру обычного водорода.

В ЦЕРНе проводится эксперимент ALPHA-g, в ходе которого будет сбрасываться антивещество, чтобы увидеть, как на него влияет гравитация.0002 ЦЕРН

Другой важный вопрос заключается в том, реагирует ли антивещество на гравитацию так же, как обычное вещество. Опять же, ожидается, что так и должно быть, но вероятность того, что антиматерия действительно может упасть вверх , составляет примерно один на миллион. Это звучит как довольно простая вещь, которую мы уже должны были знать, но до сих пор все работы с антивеществом приходилось задерживать его в электромагнитных ловушках.

ЦЕРН проводит два отдельных эксперимента для проверки этой идеи, известных как GBAR и ALPHA-g. В обоих случаях план эксперимента довольно прост — выключите эту ловушку и посмотрите, будут ли аннигиляции происходить под ней или над ней. Надеюсь, результатов ждать осталось недолго.

Но есть еще одна важная космическая загадка, которую мы могли бы разгадать, изучая антивещество. Почему мы вообще здесь?

Асимметрия материи-антиматерии


Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, Большой взрыв должен был произвести материю и антиматерию в равных количествах. Но если это так, то все содержимое космоса уничтожило бы себя в результате столкновений с течением времени, оставив сегодня во Вселенной очень пустое место.

Очевидно, этого не произошло. Так что же случилось со всей антиматерией?

Он может быть где-то там. Теоретически антивещество должно быть способно слипаться в звезды, планеты и галактики точно так же, как и обычное вещество (пока вокруг нет обычного вещества, способного его аннигилировать). Это означает, что во Вселенной могут быть уголки, где доминирует антивещество.

И это может быть не так далеко, как вы думаете. Некоторые ученые предполагают, что в нашей галактике могут скрываться звезды из антивещества, сияющие так же, как обычные звезды. Однако мы могли бы идентифицировать эти «антизвезды» по необычным гамма-всплескам, которые они испускают, когда частицы материи касаются их.

Но это также может распутать идею. Даже если бы области материи и антиматерии во Вселенной были разделены огромными участками межгалактического пространства, вдоль границ все равно происходили бы довольно регулярные события аннигиляции. Это привело бы к четким сигналам гамма-излучения, которые не наблюдались, что делает маловероятным существование областей с преобладанием антивещества в наблюдаемой Вселенной.

Вместо этого основной ход рассуждений состоит в том, что на заре существования Вселенной что-то вызвало дисбаланс в соотношении материи и антиматерии, так что в итоге одного оказалось немного больше, чем другого. Это означало бы, что вся материя во Вселенной сегодня — лишь мизерная доля — всего лишь одна 10-миллиардная — того, что когда-то существовало, оставшаяся после космического катаклизма аннигиляции антиматерии.

Так что же могло вызвать этот дисбаланс? Есть несколько гипотез.

Одна идея гласит, что мы должны благодарить нейтрино за наше существование. Эти нейтральные субатомные частицы являются их собственными античастицами, и считается, что они могли преобразовать некоторое количество антиматерии в материю, когда ранняя Вселенная претерпела фазовый переход.

Другие субатомные частицы, такие как шарм-мезон, были пойманы при переключении между материей и антиматерией в лаборатории. Если по какой-то причине переключиться с антиматерии на материю для них легче, чем наоборот, они могли создать дисбаланс в самом начале истории Вселенной.

Художественная модель того, как колебания аксионов (черный шар) в ранней Вселенной могли создать больше материи (цветные шары), чем антиматерии

Harigaya and Co/NASA

Другая история указывает на гипотетическую частицу, называемую аксионом. По прогнозам, они невероятно легкие, не имеют электрического заряда и плавают по Вселенной волнами, редко взаимодействуя с другим веществом. Согласно одному исследованию, аксионное поле начало колебаться в ранней Вселенной, создав на крошечную долю больше материи, чем антиматерии.

Интересно, что аксионы могут оказаться очень удобной частицей. Их существование может решить не только проблему асимметрии материи и антиматерии, но и одновременно две другие космические загадки — они также являются кандидатами в темную материю и затыкают еще одну дыру в нашем понимании физики элементарных частиц, известную как Сильная КП. тоже проблема.

Загадка, присущая антиматерии, вероятно, еще долго будет ставить в тупик ученых. Лабораторные эксперименты и астрономические наблюдения, несомненно, дадут новые подсказки, которые помогут нам понять эволюцию Вселенной, ограничения Стандартной модели физики элементарных частиц и то, как использовать это странное вещество для целей, которые мы даже не можем себе представить.