Как было обнаружено нарушение симметрии слабых взаимодействий? Какие существуют подходы к определению зеркальной материи? Можно ли обнаружить зеркальные частицы? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Сергей Троицкий.

Определить зеркальную материю очень просто — это материя, сделанная из точно таких же частиц, из которых сделаны мы все, только отраженных в зеркале, у которых правая и левая сторона поменяны местами. Если взять наш обычный повседневный мир, то в первом приближении он кажется несимметричным относительно отражения в зеркале: люди больше являются правшами, чем левшами, сердце с одной стороны у людей — люди, у которых сердце справа, встречаются, но очень редко. Таким образом, получается несимметрично. Однако если перейти на уровень атомной физики, то окажется, что все атомы относительно отражения в зеркале в значительной степени одинаковы, никаких таких чудесных хитростей наподобие того, что мы встречаем в живой природе, нет.

Теория элементарных частиц, которая была построена начиная с 60-х годов XX века и которая до сих пор является самым совершенным и самым лучшим описанием элементарных частиц, — стандартная модель — оказывается относительно правового и левого несимметрична. Обнаружили это в 1956 году китайско-американские ученые Ли и Янг, которые уже в 1957 году получили за это Нобелевскую премию. Они обнаружили, что слабые взаимодействия между элементарными частицами несимметричны относительно отражения в зеркале. Точнее, они сначала предположили такое, а потом был поставлен эксперимент, который они предложили, и он подтвердил их правоту.

Так история этого зеркального мира идет с 1956 года. Потом, конечно, как часто оказывается в науке, выяснилось, что в 1952 году, за 4 года до этого, некто Мишель, которого никто никогда не знал, написал статью о том же самом, однако не вовремя. В 1956 году это оказалось вовремя, и сейчас для нас история зеркального мира начинается с имен Ли и Янга.

Рекомендуем по этой теме:

Именно в самой первой своей работе они высказали неудовлетворенность асимметрией слабых взаимодействий относительно отражения в зеркале. Они предположили, что должны существовать частицы, являющиеся зеркальным образом наших, так что, если взять все частицы, которые нам известны и которые они предположили, то вместе природа была бы симметрична относительно отражений.

Мысль эта развивалась, однако никакого экспериментального подтверждения этому не было. Скажу сразу, что на сегодняшний день нет никакого экспериментального подтверждения тому, что зеркальная материя существует. Однако это было бы интересно. Были бы точно такие же частицы, которые образовывали бы точно такие же атомы, точно такую же материю, точно такие же планеты, звезды, миры, только как бы отраженные в зеркале. Это до сих пор, несмотря на специальные экспериментальные поиски, область фантазий теоретиков. Но это область интересных фантазий, и в некотором смысле многие люди находят ее полезной. Основная движущая экспериментальная сила, которая заставляет людей интересоваться этим зеркальным миром, — это проблема скрытой массы во Вселенной, то, что называется темной материей.

Уже с 1930-х годов стало ясно, что вещество, которое мы видим в телескопы, далеко не составляет все, что есть во Вселенной. Большой скачок был в 1970-е годы. Сейчас это абсолютно четкое знание, количественное знание о том, что существует то, что называют темной материей. Раньше это называли скрытой массой.

Мне кажется, скрытая масса — более удобный термин, потому что она не темная материя, а она невидимая материя.

И очень хорошим кандидатом на такую невидимую материю был бы зеркальный мир. Потому что по построению этой теории те частицы с нашими никак не взаимодействуют в первом приближении, за исключением того, что они тоже массивные и, значит, притягиваются гравитационно. Как раз лучший кандидат на эту невидимую темную материю. Она притягивается, она влияет на гравитацию, но мы ее не видим никак и никак не регистрируем, замечательный Неуловимый Джо.

Где-то в 1980–90-х годах интерес к этому поубавился, потому что тогда мы все верили (я где-то уже с конца 90-х) в то, что частицы темной материи — это суперсимметричные частицы. Я знаю очень уважаемых людей, которые говорили: это широкая столбовая дорога, сейчас запустят Большой адронный коллайдер, на нем найдут суперсимметричные частицы, это будет темная материя, мы будем ее изучать. Говорилось, что в течение первых нескольких часов работы Большого адронного коллайдера частицы будут найдены. Этого не случилось. Прошло несколько и часов, и лет — суперсимметрия не обнаружена. Люди в нее сейчас потихонечку перестают верить, и интерес обращается к другим моделям, которые предсказывают что-то невидимое, притягивающее гравитационно, но не взаимодействующее другими способами.

Зеркальная материя в том виде, в каком она есть, не очень хорошо определена, потому что нет какой-то конкретной стандартной теории, как этот зеркальный мир должен быть устроен. Либо он точная копия нашего, а может быть, нет. Почему он должен быть точной копией нашего? Ведь темной материи больше, чем видимой. Наверное, эта симметрия каким-то образом все-таки немного нарушена. Раз она каким-то образом немного нарушена, то есть разница. И за счет этой разницы частицы зеркального мира могут давать о себе знать. Я расскажу о двух построениях — одном теоретическом, другом экспериментальном, которые очень интересны и продуктивны с точки зрения воображения.

Первая идея, которая связана с чисто теоретическими построениями на тему зеркального мира, называется «струны Алисы». Оказывается, можно построить такую большую объединенную теорию, в которой есть два блока: видимый мир и зеркальный мир. Теория очень красивая, очень симметричная. Но эти два мира существуют и взаимодействуют в рамках этой теории не только через гравитацию, но и через какое-то новое объединяющее взаимодействие, которого мы пока не видим и вряд ли когда-нибудь сможем увидеть. Тогда в них существуют такие экзотические объекты, похожие на линейную структуру, которая тянется где-то во Вселенной. Если вам удается ее облететь, то — о ужас! — вы возвращаетесь отраженными в зеркале. Если электрон облетает ее, то возвращается не он, а зеркальный электрон. И это название — «струна Алисы», Алисы в Зазеркалье. На формулах это получается буквально на одной страничке. Это очень красиво, очень просто. Вряд ли это существует в природе, это было бы слишком странно. Но это очень интересное, очень красивое проявление зеркального мира, которое можно искать, можно искать в астрономии, но еще не находят пока.

Рекомендуем по этой теме:

Второй эксперимент тоже забавный. Для совершенно симметричного мира он не работает, он работает для такого мира, в котором зеркальный фотон чуть-чуть массивный. Симметрии нашей теории запрещают иметь массу фотона, и все экспериментальные данные говорят о том, что у нашего обычного фотона, который ответственен за электромагнитное взаимодействие, масса строго равная нулю, иначе жить было бы труднее. Если допустить — и такие модели есть, — что в зеркальном мире дружок фотона, зеркальный фотон, массивный, то могут происходить очень интересные чудесные вещи.

Впервые на них обратил внимание в 1984 году советский физик Окунь, хорошо известный своими книжками, лекциями и так далее. Он заметил, что луч света, состоящий из фотонов, коль скоро у нас имеется такой зеркальный мир, будет распространяться своеобразно. Иногда часть этих обычных фотонов будет превращаться в парафотоны, как он их назвал, массивные фотоны зеркального мира. И поэтому возможен совершенно простой, удивительный по своей простоте эксперимент, который в реальности на требуемом уровне точности поставить очень сложно. Это эксперимент типа свет сквозь стену. Мы берем источник света и ставим стенку. Смотрите, здесь, пока у нас шел свет до стены, часть фотонов превратилась в парафотоны. Фотоны, естественно, о стенку ударились и дальше не пошли. А парафотонам нормальная стенка нипочем: они же зеркальные, они с ней не взаимодействуют. Дальше часть их может превратиться обратно в фотоны, и здесь просто достаточно поставить фотоаппарат, и мы увидим через стенку очень слабенькое изображение нашего источника.

Такие эксперименты ставятся. Но, как оказалось, вероятность такого процесса настолько мала, что нам нужно иметь огромное количество фотонов для того, чтобы иметь надежду хоть что-то увидеть здесь за стенкой. Поэтому сейчас люди заинтересовались вопросом использования самых мощных лазеров, которые есть.

Но ни один из лазеров не сравнится с самым простым, хорошо известным источником света — с Солнцем.

Оно светит на нас, на нас летит поток фотонов, и среди них, если работает эта теория зеркального мира — причем если зеркальный фотон имеет небольшую массу, то в этом потоке должны лететь и парафотоны, — должны лететь и зеркальные фотоны. Поэтому можно просто взять солнечный телескоп, поставить стенку и смотреть на Солнце через стенку, следить за ним. Оно будет поворачиваться, и телескоп надо внимательно наводить на него и смотреть в эту темноту.

Сейчас, к сожалению, техника все-таки неидеальная, и темнота неидеальная. За счет того, что вся эта система нагревается, имеются какие-то паразитные фотоны даже в абсолютно темном помещении. На сегодняшний день поставлены некоторые ограничения на то, что зеркальных фотонов, во всяком случае очень сильно взаимодействующих, очень сильно смешивающихся с обычными, нет. Но есть смысл, есть планы проведения таких экспериментов и с лазерами, и с Солнцем, которые, может быть, в будущем откроют какой-то сигнал, который проходит через стенку, через абсолютно непрозрачное вещество, что было бы крайне интересно.