Аннигиляция материи с антиматерией

В физике элементарных частиц есть термины, которые вызывают повышенный интерес публики. К таким терминам относятся антиматерия и аннигиляция. Создается ощущение, что это таинственные явления. Про Тунгусский метеорит говорят, что это была аннигиляция. Американский писатель Дэн Браун написал целую книгу о создании антиматерии в ЦЕРН. На самом деле это специальные научные термины, загадки в них нет. 

Начнем с антиматерии. Это понятие родилось, когда английский физик Поль Дирак написал свое уравнение для электрона. Оказалось, что уравнение для релятивистского электрона имеет два решения: одно с положительной энергией, другое — с отрицательной. Дирак нашел интерпретацию второго решения. Он считал, что существуют частицы и дырки. Частицам соответствует решение с положительной энергией, а дыркам — с отрицательной. Он изобразил это на картине с морем Дирака, которое заполнено дырками. Эта картинка широко используется, но следовать ей не обязательно.

В современной интерпретации мы говорим, что решение с отрицательной энергией — это античастицы, то есть частицы, которые имеют положительную энергию, но по свойствам противоположны обычным частицам. Их квантовые числа, электрический заряд, цветной заряд, изотопический спин — всё имеет противоположные значения. Первой такой частицей был позитрон — античастица к электрону. Позитрон экспериментально обнаружили после предсказания Дирака. Так впервые столкнулись с антиматерией. Затем выяснили, что все частицы имеют античастицы. Все уравнения, которым подчиняются элементарные частицы, кварки, лептоны и бозоны, имеют вторые решения, а значит, и античастицы.

Ученые поняли, что есть мир частиц и мир античастиц и эти два мира эквивалентны и симметричны. Антиматерия присутствует в нашем мире, но мы этого не замечаем. Например, известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов и там нет античастиц. Протон и нейтрон состоят из кварков. Все это материя, но ядерные силы, которыми обмениваются протон и нейтрон, — это пи-мезоны, то есть частицы, которые состоят из кварка и антикварка. Пи-мезоны, живущие в ядрах атомов и рождающиеся в космических лучах, на ускорителях, состоят из кварка и антикварка, как все мезоны. Вот пример антиматерии, которая существует. Получается, что антиматерия существует в природе, но симметрии материй нет. Протон и нейтрон состоят из материи, а не из антиматерии. Наши атомы — это материя, а не антиматерия, поэтому симметрия между материей и антиматерией нарушена. Современные теории строятся на основе общих принципов, и один из них — пространственная симметрия. Это симметрия отражения пространственных осей. Ее называют P-симметрией — от слова «четность» (англ. parity). Есть симметрия отражения времени, а именно T-симметрия — от слова «время» (англ. time). Есть симметрия зарядового сопряжения. Эти три симметрии объединяют единым термином «CPT-симметрия» (англ. charge, parity and time). Она является фундаментальным свойством нашего мира. Из этого свойства следует два важных явления. Во-первых, существование античастиц. Наличие в уравнении Дирака второго решения — проявление симметрии. Во-вторых, из этой симметрии следует, что массы частицы и античастицы равны с правильным знаком.

Возьмем электрон и позитрон. У электрона заряд отрицательный, а у позитрона — положительный, но их массы одинаковые и одного знака. Если говорить о силе гравитации — по закону Ньютона она пропорциональна массе, — то сила гравитации одинаково действует на частицу и античастицу. Получить отсюда антигравитацию невозможно. Это свойство равенства масс частицы и античастицы подлежит экспериментальной проверке. Как и все физические утверждения, его надо экспериментально проверить. Согласно таким проверкам эти массы равны друг другу, как и в теории. Это значит, что пока мы экспериментально подтверждаем общие принципы теории. Теперь мы понимаем, как устроена антиматерия. Необходимо взять частицу и изменить знаки всех зарядов, кроме массы. Если у частицы нулевой заряд, то она может быть античастицей сама по себе. Например, фотон — квант электромагнитного поля. Античастица фотона — это фотон. Из всех фактов следует, что античастиц в мире должно быть столько же, сколько и частиц, но при этом мы не наблюдаем антиатомов, антивселенных и антипланет. Часть этих частиц живет с нами, потому что пи-мезоны сделаны из кварков и антикварков. Существует три вида пи-мезонов: π⁺ π^- и π⁰. Значит, есть положительный электрический заряд, отрицательный и нулевой; π⁺ π^- являются античастицами друг другу, а π⁰ является античастицей самой себе.

Вернемся к рассуждениям о том, куда исчезла антиматерия. Ученые считают, что с античастицами и частицами происходит процесс аннигиляции — процесс взаимодействия, в результате которого частицы превращаются в чистый свет. Представим столкновение электрона и позитрона, которые превращаются в свет, в гамма-кванты. Самый простой способ добиться такого исхода — это ситуация, когда две частицы сталкиваются и превращаются в один гамма-квант. Тогда энергия этого гамма-кванта равняется сумме энергий электрона и позитрона. Если обе частицы будут находиться в покое, то, согласно эйнштейновской формуле, энергия покоя будет равняться массе, умноженной на квадрат скорости света. Следовательно, энергия образовавшегося фотона равнялась 2mc². Известно, что энергия фотона пропорциональна его частоте, и наоборот. Энергия фотона равняется частоте, умноженной на постоянную Планка. Если мы знаем энергию позитрона и электрона, то мы знаем энергию и частоту фотона. Значит, мы можем попытаться его экспериментально обнаружить, зная его частоту. Это простейший процесс аннигиляции, так называемая однофотонная аннигиляция.

Существуют более сложные процессы аннигиляции. Например, переход в два фотона — двухфотонная аннигиляция. Вероятность такого процесса в сто раз меньше. Может происходить и четырехфотонная аннигиляция, но если электронов и позитронов много, то происходят множественные взаимодействия, в ходе которых рождается много фотонов. Если бы на небе сталкивались материя в виде макрообъекта и антиматерия, то происходила бы колоссальнейшая вспышка, которую мы могли бы наблюдать. В результате такой вспышки выделялась огромная энергия, потому что, согласно формуле Эйнштейна, E=mc² для энергии покоя огромна. Многие считают, что Тунгусский метеорит — это процесс аннигиляции, при котором выделяется огромная энергия, но подтверждений этой идее мы не знаем. Считается, что аннигиляция происходила на ранних стадиях рождения Вселенной, в результате этих процессов антиматерии осталось мало, поэтому мы живем в материи.

Теперь разберемся с дисбалансом между материей и антиматерией, который называют барионной асимметрией Вселенной. Это различие в количестве частиц представляет огромную загадку в физике, которую до сих пор не разрешили. Ученые предполагают, что асимметрия мира в ранней Вселенной нарушилась и процесс аннигиляции вымыл большую часть антиматерии. Доля остатка равна примерно 10^-10, и эта доля обеспечила наше существование, существование планет, звезд и всего остального.

Процессы аннигиляции идут постоянно. Их наблюдают на ускорителях. Современные коллайдеры так и устроены. Предыдущий коллайдер в Женеве, который был на месте Большого адронного коллайдера, играл роль установки, где разгонялись электроны и позитроны, а потом аннигилировали. Самый популярный процесс — однофотонная аннигиляция. Аннигилировать можно и в другие частицы без электрического заряда, например в Z-бозон. Есть Z-бозонная аннигиляция. Сейчас в Большом адронном коллайдере сталкиваются протоны и протоны. Если бы там сталкивались протоны и антипротоны, то они бы аннигилировали. Столкновение протонов и протонов — это другой процесс. Процесс аннигиляции — один из самых распространенных процессов в природе. В ходе нее рождаются новые частицы, новые кварки и новые лептоны, которые открыли именно в процессе аннигиляции, когда сталкивались известные частицы и аннигилировали в фотон, а из фотона или Z-бозона рождались новые кварки и лептоны, которые потом обнаруживали в детекторах. Сейчас мы знаем о существовании материи и антиматерии. Их неравное количество, но они есть, и у каждой частицы есть античастица, а когда они сталкиваются, они рождают чистый свет.