|
Антивещество позволит уточнить данные о темной материи
|
|
|
|
В ходе экспериментов в Брукхейвенской национальной лаборатории в США международная команда физиков обнаружила самые тяжелые "антиядра", которые когда-либо были обнаружены. Крошечные, недолговечные объекты состоят из экзотических частиц антивещества.
|
|
|
|
Результаты измерений частоты образования этих объектов и их свойств подтверждают наше современное понимание природы антивещества и помогут в поисках другого загадочного вида частиц — темной материи — в глубоком космосе.
|
|
|
|
Результаты были опубликованы 21 августа в журнале Nature.
|
|
Исчезнувший зеркальный мир
|
|
|
|
Идее антивещества меньше ста лет. В 1928 году британский физик Пол Дирак разработал очень точную теорию поведения электронов, которая сделала тревожное предсказание: существование электронов с отрицательной энергией, которые сделали бы невозможной стабильную вселенную, в которой мы живем.
|
|
|
|
К счастью, ученые нашли альтернативное объяснение этим состояниям с "отрицательной энергией": антиэлектроны, или двойники электрона с противоположным электрическим зарядом. Антиэлектроны были обнаружены в ходе экспериментов в 1932 году, и с тех пор ученые выяснили, что все элементарные частицы имеют свои эквиваленты из антивещества.
|
|
|
Однако это поднимает другой вопрос. Антиэлектроны, антипротоны и антинейтроны должны быть способны объединяться, образуя целые антиатомы, а также антипланеты и антигалактики. Более того, наши теории Большого взрыва предполагают, что в начале Вселенной должно было образоваться равное количество вещества и антивещества.
|
|
|
|
Но, куда бы мы ни посмотрели, мы видим материю и лишь незначительное количество антивещества. Куда делось антивещество? Этот вопрос волнует ученых уже почти столетие.
|
|
Фрагменты расщепленных атомов
|
|
|
|
Сегодняшние результаты получены в ходе эксперимента STAR, проведенного на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в США.
|
|
|
|
В ходе эксперимента ядра тяжелых элементов, таких как уран, сталкиваются друг с другом на чрезвычайно высокой скорости. Эти столкновения создают крошечные, интенсивные огненные шары, которые на короткое время повторяют условия, в которых находилась Вселенная в первые несколько миллисекунд после Большого взрыва.
|
|
|
|
При каждом столкновении образуются сотни новых частиц, и эксперимент STAR позволяет обнаружить их все. Большинство из этих частиц - недолговечные, нестабильные образования, называемые пионами, но время от времени появляется что-то более интересное.
|
|
|
|
В детекторе STAR частицы проходят через большой контейнер, наполненный газом, внутри магнитного поля и оставляют за собой видимые следы. Измеряя "толщину" следов и степень их изгиба в магнитном поле, ученые могут определить, что за частица их создала.
|
|
|
|
Вещество и антивещество имеют противоположный заряд, поэтому в магнитном поле их траектории будут искривляться в противоположных направлениях.
|
|
"Антигиперводород"
|
|
|
|
В природе ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Однако мы также можем создать нечто, называемое "гиперядром", в котором один из нейтронов заменяется гипероном — немного более тяжелой версией нейтрона.
|
|
|
|
То, что они обнаружили в ходе эксперимента STAR, было гиперядром, состоящим из антивещества, или антигипернуклеусом. На самом деле, это было самое тяжелое и экзотическое ядро из антивещества, когда-либо виденное.
|
|
|
|
Если быть точным, то он состоит из одного антипротона, двух антинейтронов и антигиперона и называется антигиперводород-4. Среди миллиардов произведенных пионов исследователи STAR идентифицировали только 16 ядер антигиперводорода-4.
|
|
Результаты подтверждают предсказания
|
|
|
|
В новой статье сравниваются эти новые и самые тяжелые антиядра, а также множество других более легких антиядер с их аналогами в обычной материи. Все гиперядра нестабильны и распадаются примерно за десятую долю наносекунды.
|
|
|
|
Сравнивая гиперядра с соответствующими им антигипернуклеусами, мы видим, что они имеют одинаковое время жизни и массу, что в точности соответствует теории Дирака.
|
|
|
|
Существующие теории также хорошо справляются с предсказанием того, почему более легкие антигипернуклеи образуются чаще, а более тяжелые - реже.
|
|
И мир теней тоже существует?
|
|
|
|
Антиматерия также имеет интересные связи с другим экзотическим веществом - темной материей. Из наблюдений мы знаем, что темная материя пронизывает Вселенную и распространена в пять раз чаще, чем обычная материя, но нам никогда не удавалось обнаружить ее непосредственно.
|
|
|
|
Некоторые теории темной материи предсказывают, что если две частицы темной материи столкнутся, они уничтожат друг друга и произведут взрыв частиц материи и антивещества. Затем в результате этого могут образоваться антиводород и антигелий — и эксперимент под названием "Альфа-магнитный спектрометр" на борту Международной космической станции направлен на то, чтобы выяснить это.
|
|
|
|
Если бы мы действительно наблюдали антигелий в космосе, как бы мы узнали, был ли он произведен темной материей или обычной материей? Что ж, измерения, подобные этому новому, проведенному STAR, позволяют нам откалибровать наши теоретические модели относительно того, сколько антивещества образуется при столкновении обычной материи. В этой последней статье содержится множество данных для такого рода калибровки.
|
|
Основные вопросы остаются нерешенными
|
|
|
|
За прошедшее столетие мы многое узнали об антивеществе. Однако мы по-прежнему не приблизились к ответу на вопрос, почему мы так мало видим его во Вселенной.
|
|
|
|
Эксперимент STAR далеко не одинок в стремлении понять природу антивещества и то, куда все это делось. Работа в таких экспериментах, как LHCb и Alice на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, позволит углубить наше понимание, выявив признаки различий в поведении вещества и антивещества.
|
|
|
|
Возможно, к 2032 году, когда будет отмечаться столетие со дня первоначального открытия антивещества, мы добьемся определенных успехов в понимании места этой любопытной зеркальной материи во Вселенной и даже узнаем, как она связана с загадкой темной материи.
|
|
|
|
Источник
|
