Загадка происхождения вселенной и... маленькая разница [ Редагувати ]

При образовании вселенной возникли вещество и антивещество: в равных количествах. Но, что-то случилось с антивеществом. Оно оказалось не столь стабильным, как вещество. Разница в стабильности невелика, но ее оказалось достаточно, чтобы мы сегодня видели миллионы галактик, состоящих из вещества и вселенную в ее нынешнем понимании.

Разница вещества и антивещества заключается в том, что их частицы имеют различные электрические заряды. Так, существует электрон и его точная до наоборот копия - позитрон. Обе эти частицы обладаю одинаковой массой и зарядом по модулю, просто у электрона заряд негативный, а у позитрона - позитивный. Но, несмотря на такую впечатляющую схожесть, вещество и антивещество не могут "мирно" сосуществовать. Когда частицы встречаются с античастицами, происходит реакция, в результате которой возникает лишь гамма-излучение.

Пофантазировав, можно себе представить человека, тело которого будет создано из антивещества. И каждый из нас, случайно встретив его и пожав ему руку,  спровоцирует физическую реакцию, которая приведет к взрыву, равному по мощности взрыву атомной бомбы в 1000 мегатонн. Получится океан гамма-излучения, которое, однако, рано или поздно вновь трансформируется в частицы и античастицы.

Что-то подобное произошло в первую секунду "Большого взрыва" при образовании вселенной. Тогда мир напоминал сущий ад, растущий во всех направлениях в виде "шара огня" жесткого гамма-излучения, постепенно трансформирующегося в частицы и античастицы, снова реагирующие и порождающие гамма-излучение. Но однозначно ясно то, что во время "большого взрыва" или в короткий промежуток времени после него вещество взяло верх над антивеществом. И именно из этого избытка вещества и состоит вся нынешняя вселенная.

Если бы при "большом взрыве" было создано одинаковое количество вещества и антивещества, то сейчас бы вселенная напоминала сплошной океан гамма-излучения с локальными оазисами новых реакций образования материи и антиматерии, вновь "растворяющих" друг друга в излучения. И случись так, рано или поздно при территориальном расширении вселенной наступил бы момент "безвозвратной потери", когда гамма-излучение стало бы более неспособно порождать частицы и античастицы. И наступил бы конец: пустой и мертвый. Не было бы ни одной галактики и ни одной звезды...

Но сейчас мы наблюдаем далеко не такую картину. Логически напрашивается один вывод: при "большом взрыве" было создано немного больше вещества, чем антивещества, из которого и сформировались нынешние скопления, галактики и звезды. Все указывает на то, что в первые секунды после "большого взрыва" на один миллиард античастиц было "произведено" один миллиард и одна частица. Можете теперь представить, какой частью остатков "протовещества" до "большого взрыва" является нынешняя видимая галактика. Пока все ясно. Но откуда же взялось это "ничтожное" доминирование вещества над антивеществом? Этот вопрос физики, астрономы и космологи пытаются решить вот уже более 50 лет. Но теперь человечество, кажется, готово ответить на этот вопрос благодаря новейшим исследованиям ученых США, Европы и Японии на современном высокотехнологичном оборудовании.

Исследования показывают, что антивещество незначительно, но менее устойчиво, чем вещество. Различия между свойствами вещества и антивещества настолько незначительны, что современными методами их обнаружить, определить и измерить представляется возможным с большим трудом.

Да, еще с конца 1950-х ученым удалось создать в земных условиях античастицы: в мощных акселераторах были созданы негативно заряженные антипротоны и позитроны с позитивным зарядом. Были произведены максимально возможные измерения этих частиц, которые показали, что их масса и модульный размер электрического заряда - одинаковы. Как частицы так и античастицы полноценно и одинаково вписываются в модели реакций, известных человечеству и типичных для вселенной: электромагнитных, межатомных и ядерных, действующих в ядрах атомов. Но в 1964 году в нью-йоркской Brookhaven National Laboratory  состоялся эксперимент, результаты которого оказались для научного мира сенсационными: слабые внутриядерные силы атомов в частицах и античастицах имеют различия. А в 1967 году советский физик Андрей Сахаров выдвинул теорию, согласно которой в данном случае мы имеем дело с редким природным феноменом, который и объясняет существование современной вселенной, несмотря на всю свою неправдоподобность.

После американского эксперимента 1964-го последовала серия аналогичных и в 1979 году и в той же Brookhaven National Laboratory два ученых  - Джеймс Кронин и Вэл Финч, получившие в 1980 году Нобелевскую премию в области физики - создали новый тип частиц с чрезвычайно коротким жизненным периодом. Новые частицы были названы хаонами. Исследования показали, что хаоны и антихаоны реагируют друг с другом редко, но антихаоны менее стойки, чем хаоны. Говоря понятным русским языком: природа по одной ей понятным причинам отдала предпочтение в стойкости хаонам перед их "оппонентами".  С 1979 года проблемой изучения свойств хаонов и антихаонов активно занялись ученые Европейского центра физики высоких энергий (CERN) и американской лаборатории Fermi. И в обоих центрах американские эксперименты в Brookhaven National Laboratory и правильность были подтверждены. Однако исследования показали и другое: той маленькой разницы, которая существует между хаонами и антихаонами недостаточно, чтобы создать доминирование вещества над антивеществом, которое породило современную вселенную.

После этого ученые обратились к исследованию свойств "старшего брата" хаона - так называемого B-мезона, который распадается с большей легкостью и при меньшем количестве необходимых условий, чем хаон. Мы знаем, что мельчайшие элементы известного нам на сегодняшний день вещества - это кварки и электроны: самые маленькие "кирпичи" мироздания - электроны - состоят из как минимум трех кварков. Но B-мезон состоит из двух и поэтому очень нестабилен. Период его жизни - одна миллионная миллионной доли секунды. Всего в природе существует шесть типов кварков. Все вещество, с которым мы имеем дело на планете Земля состоит всего из двух "легких" видов кварков - сверхлегких и легких. Но во вселенной их существует еще четыре. Их же можно воссоздать и в очень мощных акселераторах земных научных лабораторий.

Так вот, хаоны состоят из обычных "земных" кварков, в то время как B-мезоны смонтированы из кварков "тяжелых". И когда "тяжелый" B-мезон распадается, то при его разрушении образуется "нечто", чего нет при распаде "легких" хаонов. Поэтому именно B-мезон смог объяснить "маленькую разницу" в доминировании вещества над антивеществом. Изучая B-мезоны и анти-B-мезоны физики смогли отследить мгновение распада частиц и чем распады античастыцы отличаются от распадов частицы. Вначале было отчаяние: ученым не удавалось понять, в чем же заключается разница. В обоих случаях все происходило по полной аналогии. Но, настойчивость принесла свои плоды. Оказалось, что различие в процессе распада B-мезона и анти-B-мезона наблюдается в одном случае на 100000. Убедительно доказать этот факт удалось лишь осенью 2001-го года на двух установках в Японии и США. Эти установки были построены в 2000 году - американская находится в Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) в Калифорнии, а японская в Центре физики высоких энергий в Цикубе (KEK). Оба акселератора состоят их двух гигантских центрифуг, диаметр каждой из которых - около двух километров. В эти центрифуги подаются электроны и позитроны, которые в процессе нахождения в "рабочем" пространстве установок могут развивать скорость света. При таких условиях и становится возможным создание B-мезонов и анти-В-мезонов. Акселераторы спроектированы так, что при распаде B-мезоны и их античастицы попадают в две разных камеры, поэтому ученым ныне намного легче отслеживать различия распада. Установка KEK может ежегодно производить 100 миллионов пар B-мезонов и анти-B-мезонов, а SLAC - 30 миллионов пар. И этого хватило, чтобы понять "маленькую разницу" при "большом взрыве".

В-мезоны оказались стабильнее своих "партнеров". Но перед ученым возник вопрос: почему? И ответа на него пока нет. Исследователи пока не могут постичь механизм, который заставляет анти-В-мезоны быть менее стойкими. Но, по крайней мере, теперь у нас есть объяснение тому, почему сейчас вселенная выглядит так, а не иначе.