В конце XIX века английским оптиком Артуром Шустером была придумана антиматерия как средство восстановления симметрии между плюсом и минусом (вспомните: электрон, открытый Томсоном в 1897 году, имеет заряд минус, и, чтобы уравновесить этот дисбаланс, Природа, казалось бы, должна была позаботиться о существовании положительно заряженного аналога электрона). Идею надолго забыли, но в конце 20-х годов XX века из желания скрестить квантовую теорию поля с релятивистской теорией Поль Дирак вывел антиматерию уже математически строго. После того как открыли первую частицу антиматерии — позитрон, а потом нашли античастицы у всех известных частиц, ученым стало казаться, что мир исключительно симметричный, а материя и антиматерия имеют одинаковые во всех типах взаимодействия свойства. Но оказалось, что это не совсем так.

1. Неравная смесь частиц и античастиц

Нейтральные странные К0-мезоны занимают промежуточное место между истинно нейтральными частицами, у которых сама частица соответствует своей античастице, например фотоном, и привычными заряженными электронами или протонами, античастицы которых отличаются знаком заряда. В отличие от заряженных частиц К0-мезоны могут превращаться в свои античастицы на лету, не предпринимая для этого особых усилий, поэтому и летят они не как частицы или античастицы, а как их смесь. Это поняли в 1955 году американцы Гелл-Манн и Пайс, и они придумали новый подход для описания этой интересной системы. В частности, на основе своей теории они предсказали существование долгоживущего КL-мезона, который, согласно их выводам, должен вести себя уже как истинно нейтральная частица. Предсказанный КL-мезон был вскоре найден, вот только вопреки начальному предположению Гелл-Манна и Пайса, как выяснилось в тонком эксперименте, выполненном в 1964 году в США, смесь из К0 и анти-К0 оказалась в летящей частице неравной, хотя их доли отличаются ничтожно мало, меньше чем на процент. Это совершенно удивительное свойство, поскольку оно явно нарушает симметрию между материей и антиматерией: КL-мезон, пролетающий на современных ускорителях десятки метров, по дороге наполняется неравной смесью частиц и античастиц.

Л. Б. Окунь, Элементарное введение в физику элементарных частиц. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009 г.

А. Д. Сахаров, Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной. — Академия Наук СССР, ISBN ЖЭТФ. Письма в редакцию. 1967. Т. 5, вып. 1., 32, 1967 г.

2. Тяжелые дублеры частиц

Сами странные частицы довольно необычные. В их состав входит s-кварк, чуть более тяжелый, чем u- и d-кварки, из которых строятся протоны и нейтроны. Живут странные частицы очень мало, микросекунды, и в построении материи напрямую не участвуют. Помимо странных частиц, чуть ранее были открыты другие «ненужные» частицы — мюоны (µ), похожие на электроны, только в 200 раз тяжелее. Их видно в детекторах, регистрирующих космический фон, и живут они так же недолго.

В 1970-м ученые теоретически показали, что, помимо s-кварка, необходим еще один, более тяжелый — с-кварк. Понадобился он, чтобы объяснить наблюдаемую малость распадов нейтральных К0-мезонов в пару мюонов. Чтобы посчитать вероятность этого распада, необходимо учесть все виртуальные частицы. Если такая частица только одна, u-кварк, подсчет приводит к бесконечности. А в эксперименте мы видим, что распад К0-мезона очень маленький, то есть никакой бесконечности там нет. Решить проблему предложили с помощью нового кварка, который сокращает вклад виртуального u-кварка, внося свою лепту в распад, почти равную по модулю, но с обратным знаком. Такой способ избавления от расходящихся интегралов назвали GIM-механизмом (по первым буквам фамилий авторов идеи: Глэшоу, Илиопулоса и Майяни). Вскоре с-кварк действительно обнаружили. Таким образом, в начале 70-х годов XX века у всех известных частиц, участвующих в построении нашего мира, оказалось по одному тяжелому дублеру.

Рекомендуем по этой теме:
12184
FAQ: Три поколения кварков

Зачем Природе, которая до этого всегда казалась исключительно прагматичной, понадобилось создавать более тяжелые и, соответственно, нестабильные дублеры электрона и кварков, долго оставалось загадкой. Замечу, что и до сих пор не известно, влияют ли они как-то на нашу жизнь и существуют ли какие-нибудь современные процессы во Вселенной, где их участие жизненно необходимо, но они точно были нужны в далеком прошлом.

Л. Б. Окунь, Лептоны и кварки. — 2-е изд. М.: «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1990 г.

М. Kobayashi and Т. Maskawa, CP Violation in the renormalizable theory of weak interaction, Prog. Theor. Phys. 49, 652, 1973 г.

3. Несимметричность материи и антиматерии в эволюции Вселенной

Совсем маленькое различие свойств странных и антистранных частиц (да еще проявляющееся только в слабом взаимодействии) приводит к совершенно фантастическому глобальному результату — нашему существованию. Если бы материя и антиматерия были абсолютно идентичны по своим свойствам, то вскоре после Большого Взрыва, в результате которого образовалось одинаковое количество частиц и античастиц, все они полностью аннигилировали, а в живых остались бы только фотоны, из которых строить мир (и нас с вами) было бы довольно проблематично. К этому выводу пришел Андрей Дмитриевич Сахаров в 1967-м спустя три года после открытия американскими физиками нарушения симметрии между странными частицами и античастицами. Сахаров показал, что раз свойства разные, то на ранней стадии эволюции Вселенной после Большого Взрыва небольшая часть частиц выжила (одна на миллиард саннигилировавших частиц и античастиц!). И этого выжившего в грандиозной битве остатка материи хватило, чтобы сделать нас с вами. Замечу, что результаты этой битвы наблюдаются в современной Вселенной: она заполнена огромным количеством образовавшихся в результате аннигиляции фотонов, которые, правда, за долгие годы скитаний по Вселенной сильно остыли и видны только с помощью радиотелескопов.

А вот почему материя и антиматерия различаются, поняли спустя еще шесть лет после утверждения Сахарова.

А. Е. Бондарь, П. Н. Пахлов, А. О. Полуэктов, Наблюдение СР-нарушения в распадах В-мезонов, Успехи физических наук, том 177, 697, 2007 г.

4. Больше дублеров и матрица смешивания

В 1973 году японские физики Кобаяши и Маскава осознали, что, имея лишь по одному дублеру кварков, не получается устроить так, чтобы свойства материи и антиматерии различались, чего им очень хотелось достичь для объяснения результатов эксперимента и идеи Сахарова. И они предложили очень простую идею. Все, что оказалось для этого необходимым, — это добавить еще два новых кварка, то есть потребовать от Природы существования не по одному, а по два дублера у каждого легкого кварка. А с тремя поколениями кварков уже можно получить разные свойства материи и антиматерии.

В модели Кобаяши — Маскавы поворот кварков, участвующих в слабых распадах, относительно их собственных массовых состояний описывается матрицей 3×3 (по числу поколений кварков). Если бы поколений было только два, матрица поворота 2×2 содержала бы только один параметр, он был бы действительным, однако для решения нашей задачи нужно какое-нибудь наблюдаемое комплексное число. А в случае трех поколений количество параметров матрицы увеличивается резко с одного до четырех, из которых три — это просто эйлеровы углы поворота. Но также добавляется одна фаза, которая делает эту матрицу не действительной, а комплексной: у нее появляется мнимая часть. Она и ответственна за различие свойств кварков и антикварков.

I. Bigi and A. Sanda, CP violation, Cambridge University Press, 1999 г., ISBN 0-521-44349-0

5. Откуда возникла матрица смешивания

Здесь вступает в игру хиггсовский бозон, дающий массы всем наблюдаемым частицам, включая электроны и кварки. Именно взаимодействие хиггсовского конденсата, который равномерно заполняет собой все пространство, с частицами материи приводит к тому, что у них появляются массы. Удивительно, что хиггсовская частица связана с тремя поколениями кварков несинхронно, со слабым взаимодействием: одно оказывается как бы повернутым относительно другого, как будто хиггсовский бозон и бозоны-переносчики слабого взаимодействия не смогли договориться друг с другом, какие кварки к какому поколению относить. Мы до сих пор не знаем, почему и как эта несинхронность возникает.

M. Sozzi, Discrete Symmetries and CP Violation: From Experiment to Theory, Oxford University Press, 2008 г.

6. Направленность времени

Несимметричность мира по отношению к обращению течения времени прекрасно согласуется с нашим повседневным опытом (вдребезги разбитую чашку не склеить; то, что случится завтра, точно не предсказать). Только почему-то почти все законы механики абсолютно инвариантны относительно обращения стрелки времени. Заставив время течь в обратную сторону, мы, казалось, должны получить мир, развивающийся совершенно по тем же законам, то есть чашки должны в равной мере легко разбиваться и собираться в целое, а мы должны одинаково свободно «вспоминать» события будущего и прошлого. Оказывается, что различие свойств антиматерии и материи и здесь играет ключевую роль. Античастицы часто рассматриваются как частицы, летящие в обратном направлении по времени, из будущего в прошлое. Следовательно, тот факт, что свойства антиматерии и материи различаются, говорит нам о том, что в нашем мире, построенном из материи, существует выделенность стрелки времени.

Belle and BaBar collaborations, The Physics of B Factories, arXiv: 1406.6311, to be published in EPJC.

7. Изучение несимметричности материи и антиматерии

Изучению этого явления для третьего поколения кварков в последние 15 лет были посвящены специальные эксперименты в Японии и США. В так называемых B-фабриках разогнанные до огромных скоростей электроны и позитроны, сталкиваясь, рождали B-мезоны, содержащие кварк третьего поколения. Эти эксперименты действительно обнаружили большую разницу в распадах B-мезона и анти-B-мезона и измерили ее с хорошей точностью. А в последние пять лет к усилиям В-фабрик подключился специализированный эксперимент в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере, который позволяет еще больше повысить точность измерения.

Рекомендуем по этой теме:
7703
Кварк-лептонная симметрия

Зачем же нам нужна высокая точность? С помощью теории Кобаяши — Маскава можно вычислить, какое нарушение симметрии должно наблюдаться для третьего поколения кварков. То, что мы хотим увидеть, — это несоответствие между предсказаниями и экспериментальными данными, что означало бы существование в физике микромира чего-то нового, до сих пор не найденного. Ради того, чтобы это найти, сегодня строится новый эксперимент в Японии, который будет называться «супер-B-фабрика». В нем точность возрастет еще примерно на порядок по сравнению с предыдущими экспериментами, и, возможно, будет найдено что-то новое в несоответствии свойств материи и антиматерии.

M. Gell-Mann and A. Pais, Behavior of neutral particles under charge conjugation, Phys. Rev. 97, 1387, 1955 г.

J.H. Christenson, J.W. Cronin, V.L. Fitch, and R. Turlay, Evidence for the 2 pi decay of the k (2)0 meson, Phys. Rev. Lett. 13, 138, 1964 г.