Antimateria este ca o substanță în toate felurile. Au fost formate simultan și dintr-o singură sursă. Drept urmare, există o mulțime de, și practic niciuna. Trebuie să existe o explicație pentru acest lucru.
Tot ce intrăm în contact în viața noastră este făcut din materie. Cupa pe care o ținem în mână este formată din molecule, molecule - de atomi, atomi, contrar numelui lor („atom” în greacă înseamnă „indivizibil”) - de electroni, protoni și neutroni. Ultimii doi sunt numiți „baroni” de către oamenii de știință. Acestea pot fi împărțite mai departe, în quarkuri și poate chiar mai departe, dar deocamdată ne vom baza pe asta. Împreună formează materia.
După cum știu toți cititorii noștri, materia are un antipod - antimaterie. Când intră în contact, se anihilează odată cu eliberarea unei energii foarte mari - se anihilează. Conform calculelor fizicienilor, o bucată de antimaterie de dimensiunea unei cărămizi, lovind Pământul, poate provoca un efect asemănător exploziei unei bombe cu hidrogen. În toate celelalte aspecte, antipodele sunt similare: antimateria are masă, legile fizicii se aplică pe deplin, dar sarcina sa electrică este opusă. Pentru un antiproton este negativ, iar pentru un pozitron (antielectron) este pozitiv. Și, de asemenea, antimateria practic nu apare în realitatea din jurul nostru.
Căutarea antimateriei
Sau este undeva acolo? Nu este nimic imposibil într-o astfel de presupunere, dar trăim în lume, chiar dacă nu putem strânge mâna cu antipodele noastre. Este foarte posibil să trăiască undeva.
Probabil că toate galaxiile observate astăzi sunt compuse din materie obișnuită. Altfel, granițele lor ar fi o zonă de anihilare aproape continuă cu materia înconjurătoare, ar fi vizibilă de departe. Observatoarele Pământului ar înregistra canta energetică formată în timpul anihilării. Până se întâmplă acest lucru.
Dovada prezenței în Univers a unor cantități vizibile de antimaterie ar putea fi descoperirea undeva în spațiu (pe Pământ, datorită densității mari a materiei, este clar inutil să căutăm nuclee antihelium). Doi antiprotoni, doi antineutroni. Antiparticulele care alcătuiesc un astfel de nucleu sunt produse în mod regulat în coliziuni de particule cu energie mare în acceleratoarele terestre și în mod natural când materia este bombardată de razele cosmice. Descoperirea lor nu ne spune nimic. Dar antiheliul poate fi format în același mod dacă patru dintre particulele sale constitutive sunt născute simultan într-un singur loc. Acest lucru nu poate fi numit complet imposibil, dar un astfel de eveniment în întregul Univers se întâmplă aproximativ o dată la cincisprezece miliarde de ani, ceea ce este destul de comparabil cu timpul existenței sale.
Video promotional:
Pregătirea pentru lansarea unui balon cu un detector de particule spațiale ca parte a experimentului BESS. Detectorul este vizibil în prim-plan și cântărește 3 tone. / & copie; i.wp-b.com
Prin urmare, detectarea antiheliului poate fi bine considerată, dacă nu ca un salut de la antipode, apoi ca dovadă că, undeva în adâncurile spațiului, plutește o bucată de antimaterie de dimensiuni decente. Deci a zburat de acolo.
Din păcate, încercările repetate de a căuta antiheliul în straturile superioare ale atmosferei terestre sau în apropierea acestuia nu au adus încă succes. Desigur, acesta este cazul în care „absența urmelor de praf de pușcă pe mâini nu dovedește nimic”. Se poate foarte bine că a fost doar foarte departe pentru a zbura (de ordinul a miliarde de ani-lumină), și a intra într-un mic detector de pe o planetă mică este și mai dificil. Și cu siguranță, dacă detectorul ar fi mai sensibil (și mai scump), șansele noastre de reușită ar fi mai mari.
Anti-stelele, dacă s-ar întâmpla să fie în natură, în cursul reacțiilor termonucleare ar genera același flux de antineutrinoși ca și stelele obișnuite - fluxul antipodelor lor. Aceiași antineutrini trebuie formați în timpul exploziilor antisupernova. Până în prezent, nici unul, nici celălalt nu au fost descoperite, dar trebuie menționat că astronomia neutrino face în general primii pași.
Detector Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Canada. / & copie; squarespace.com
În orice caz, nu avem încă informații fiabile despre existența unor cantități apreciabile de antimaterie în Univers.
Acest lucru este bun și rău în același timp. Este rău pentru că, conform conceptelor moderne, în primele momente după Big Bang, s-au format atât materia, cât și antimateria. Ulterior, acestea s-au anihilat, dând naștere la radiația cosmică relictă. Numărul de fotoni din acesta este foarte mare, este de aproximativ un miliard de ori mai mare decât numărul de baroni (adică protoni și neutroni) din Univers. Cu alte cuvinte, cândva, la începutul timpului, substanța din Univers s-a dovedit a fi cu o miliardime mai mult decât antimateria. Apoi, toți „superfluul” au dispărut, anihilat și a rămas o miliardime. Rezultatul este ceea ce se numește asimetria baryon în literatura de specialitate.
Pentru fizicieni, dezechilibrul este o problemă, deoarece trebuie explicat cumva. Cel puțin în cazul obiectelor care, sub toate aspectele, se comportă simetric.
Și pentru noi (inclusiv fizicienii) acest lucru este bun, pentru că, cu aceleași cantități de materie și antimaterie, s-ar produce anihilarea completă, Universul ar fi gol și nu ar mai fi nimeni care să pună întrebări.
Termenii lui Sakharov
Oamenii de știință și-au dat seama de existența unei mari probleme cosmologice cândva la mijlocul secolului XX. Condițiile în care Universul devine felul în care îl vedem au fost formulate de Andrei Sakharov în 1967 și de atunci au fost un „loc comun” al literaturii tematice, cel puțin în rusă și engleză. Într-o formă extrem de simplificată, acestea arată astfel.
În primul rând, în anumite condiții, care existau probabil în Universul timpuriu, legile fizicii funcționează diferit pentru materie și antimaterie.
În al doilea rând, în acest caz, numărul de baroni nu poate fi păstrat, adică numărul de barioni după reacție nu este egal cu cel dinaintea acesteia.
În al treilea rând, procesul trebuie să se desfășoare într-o manieră explozivă, adică trebuie să fie non-echilibru. Acest lucru este important, deoarece în echilibru concentrațiile de substanțe tind să se egalizeze și trebuie să obținem ceva diferit.
A. D. Sakharov, la sfârșitul anilor '60. / & copie; thematicnews.com
Aici se termină partea generală acceptată a explicației, iar apoi domnește ipoteze în jumătate de secol. Cel mai autoritar moment conectează incidentul cu interacțiunea electroweak. Să aruncăm o privire mai atentă la ea.
Spațiu de fierbere
Pentru a explica ce s-a întâmplat cu materia noastră, va trebui să ne încordăm imaginația și să ne imaginăm că există un anumit domeniu în Univers. Încă nu știm nimic despre existența și proprietățile sale, cu excepția faptului că este asociată cu distribuția materiei și a antimateriei în spațiu și este într-o oarecare măsură similară cu temperatura cu care suntem obișnuiți, în special, poate să ia valori mai mari și mai mici, până la un anumit nivel, care poate fi asemănat Punct de fierbere.
Inițial, materia din univers este într-o stare mixtă. Este foarte „cald” în jur - ghilimelele ar putea fi omise aici, deoarece temperatura obișnuită este de asemenea foarte ridicată, dar vorbim despre analogul său imaginar. Acest analog „fierbe” - valoarea maximă.
Pe măsură ce spațiul se extinde, „picăturile” încep să se condenseze de la „vaporii” inițiali, în care este „mai rece”. Până acum, totul arată exact ca în cazul apei - dacă aburul supraîncălzit se află într-un vas, al cărui volum crește destul de rapid, atunci se produce răcirea adiabatică. Dacă este suficient de puternic, atunci o parte din apă va cădea sub formă de lichid.
Apa condensată din abur. / & copie; 3.bp.blogspot.com
Ceva similar se întâmplă cu materia din spațiu. Pe măsură ce volumul Universului crește, numărul și dimensiunea „picăturilor” cresc. Dar atunci începe ceva care nu are analogii în lumea cu care suntem obișnuiți.
Condițiile pentru pătrunderea particulelor și antiparticulelor în „picături” nu sunt aceleași, este puțin mai ușor pentru particule să facă acest lucru. Drept urmare, egalitatea inițială a concentrațiilor este încălcată, în „lichidul” condensat există puțin mai multă substanță, iar în „faza de fierbere” - antipodul său. În acest caz, numărul total de baroni rămâne neschimbat.
Și apoi, în „faza de fierbere”, încep să acționeze efectele cuantice ale câmpurilor electroweak care interacționează, care, se pare, nu ar trebui să schimbe numărul de baroni, ci, în realitate, să egalizeze numărul de particule și antiparticule. Strict vorbind, acest proces are loc și în „picături”, dar este mai puțin eficient. Astfel, numărul total de antiparticule este redus. Acest lucru este scris pe scurt și, desigur, foarte simplificat, de fapt, totul este mult mai interesant, dar nu vom intra în teoria profundă acum.
Două efecte se dovedesc a fi esențiale pentru a explica situația. Anomalia cuantică a interacțiunilor electroweak este un fapt observat, a fost descoperită încă din 1976. Diferența în probabilitatea ca particulele să pătrundă în zona de condensare este un fapt calculat și, prin urmare, ipotetic. Câmpul în sine, care „fierbe” și apoi se răcește, nu este încă detectat. La formarea teoriei, s-a presupus că acesta este câmpul Higgs, dar după descoperirea celebrului boson, s-a dovedit că nu are nimic de-a face. Este foarte posibil ca deschiderea sa să fie încă așteptată în aripi. Sau poate nu - și atunci cosmologii vor trebui să inventeze alte explicații. Universul așteaptă asta de cincisprezece miliarde de ani, poate aștepta altul.
Sergey Sysoev
