Вещество и антивещество: что это такое, в чем разница и при чем тут нейтрино

Антивещество — штука достаточно популярная, как в научной фантастике, так и просто в околонаучных спорах о том, “как все устроено на самом деле”. Фантасты нам подарили звезды и целые планетные системы из антивещества. Дэн Браун через “Ангелов и демонов” донес этот феномен практически до каждого.

В общем, вымыслов и домыслов предостаточно. В статье немного окунемся в историю: как почти чистая математика предсказала такой феномен, как им пытались «пренебречь», до тех пор, пока антивещество само не залетело в детекторы. Потом пробежимся по тому, что известно сейчас и дойдем до самой большой головной боли физиков — почему вещества во Вселенной оказалось больше, чем антивещества?



Это статья написана в продолжении ну о-о-очень вялотекущего цикла о нейтринной физике: открытие нейтрино, нейтринные осцилляции для чайников, нейтрино от сверхновых.

Немного истории

Начало квантовой механики

Зайдем издалека, почти с самого создания квантмеха. У физиков никак не получалось посчитать, как светится нагретое тело. То, что оно светится никто не спорит, благо невооруженным глазом видно, но вот в цифрах посчитать не получается — интеграл расходится, получается бесконечность. Макс Планк предлагает простой трюк — давайте будем считать, что свет излучается порциями, а не непрерывно. И вуаля — бесконечность исчезает, а результат расчетов отлично сходится с экспериментом. Забавно, что Планк очень долго доказывал, что это трюк чисто математический, и никакого физического смысла тут нет. Эйнштейн же сразу подхватил эту идею и предположил, что свет вообще существует исключительно в виде отдельных порций — фотонов. И потом еще долго спорил с Планком и объяснял ему, что тот открыл на самом деле.

Тут-то физики и развернулись. Возможность описать свет и как волну, и как летящую частицу сразу же вызвало предложение пройти обратным путем — описать частицу как волну, посчитать для нее волновые характеристики: длину, частоту. Экспериментальное подтверждение не заставило себя долго ждать, и в 1927 году удалось продемонстрировать интерференцию электронов при прохождении через две щели — чисто волновой эффект! 

На волне этих идей Шредингер придумывает как описать любые частицы с помощью волнового уравнения. Не будем погружаться глубоко в математику, скажем лишь, что это уравнение позволяло для заданных условий вычислить волновые характеристики частицы: вероятность найти ее в том или ином месте, вероятность иметь определенную скорость и тд. Так в те времена описывали феномен корпускулярно-волнового дуализма.

Антивещество выходит на сцену

За 20 лет до этого Эйнштейн сформулировал свою специальную теорию относительности. В контексте нашей статьи чрезвычайно важна установленная им связь между массой, энергией и импульсом. Большинство людей вспомнят это знаменитое выражение только для покоящейся частицы  . Она простая, красивая, но, к сожалению, не применима для движущихся частиц. Для них еще нужно учитывать и импульс (р):

И вот тут и сидит множество проблем! Они и приведут к открытию антивещества!

Уравнение Шредингера хорошо работало для не очень быстрых частиц. В таких случаях оставались верными знакомые всем со школы уравнения ньютоновской механики. Но нас окружает множество очень быстрых частиц и для них нужно использовать приведенное выше уравнение, связывающее энергию, импульс и массу. Проблема была в извлечении корня для нахождения энергии. Поль Дирак в 1930 придумал хитрый способ сделать это при помощи матриц и обобщил уравнение Шредингера на высокоэнергетичные частицы. 

Тут он столкнулся с хорошо всем знакомой класса так с 7-го проблемой: извлечение корня дает два решения. Помните, решая задачи в школе, иногда вы получали отрицательные решения? Обычно при этом пишут «не имеет физического смысла» и в ответ старательно выписывают одно положительное решение. Например, считая когда встретятся движущиеся машины, вы получали ответы: -1 час и 3 часа, первый всегда отбрасывался. Он не лишен смысла, час назад машины действительно были в одной точке, но для ответа на вопрос: «Когда они встретятся в будущем?», — не годится. 

Так вот, Дирак, обсчитывая движение электрона, получил решения с отрицательной энергией. Первой идеей было отбросить этот ответ как «не имеющий физического смысла». Но, как и в случае с машинами, какой-то смысл за этим решением все же должен быть!

Если допустить существование таких состояний с отрицательной энергией (и положительным зарядом), то в физике наступит полнейший хаос. Давайте рассмотрим это на примере простой картинки:



Здесь по вертикальной оси отложена энергия частицы. Сверху на желтом фоне обычные электроны с положительной энергией и отрицательным зарядом. Чем больше энергия, тем больше скорость — все интуитивно понятно. Но вот внизу… Огромная синяя экзотическая область. Там, если энергия уменьшается, иными словами уходит глубже в минус, то скорость растет. Это вообще как?! 

Дальше — хуже. Ведь любая система стремится к минимуму энергии, шарик всегда будет стремиться оказаться на дне ямки. Так и абсолютно все электроны будут стремиться упасть в самый-самый низ, безостановочно разгоняясь… В общем, не останется в мире электронов. 

Дирак, будучи влюбленным в красоту математики, настаивал, что решение должно иметь смысл. За это он был неоднократно критикован. Его объявляли в слепом следовании математике, несмотря на физический смысл. Достаточно привести цитату Гейзенберга, к слову, близкого друга Дирака:

Самой печальной главой современной физики есть и остается теория Дирака…
Я считаю ее попросту мусором, к которому никто не может относиться серьезно.

Но Дирак продолжил спасать свою теорию, а заодно и всю физику. Он предположил, что эта синяя область уже заполнена электронами, и именно поэтому они туда сверху не падают — места нет (помните принцип Паули?). Просто свойство вакуума такое, что вся синяя область заполнена. Такой заполненный слой частиц называют “морем Дирака”. Тут любопытно рассмотреть два случая:

1. Можно электрон в синей области очень сильно пнуть, например, фотоном. Он получит большую энергию и выскочит в желтую зону. Теперь у нас будет электрон (с положительной энергией — все в порядке) и дырка (отсутствие электрона) в синей зоне, которая будет вести себя как положительная частица. 
2. Отрицательно заряженный электрон, естественно, будет притягиваться к положительной дырке и даже может в нее упасть. Тогда и электрон перестанет существовать, и дырка — она же заполнится. 

Остался вопрос — с чем отождествить дырку в окружающем нас мире? Дирак предложил протон. На что Оппенгеймер справедливо заметил, что это ставит под угрозу существование атома водорода — ведь протон и электрон тогда могли бы встретиться и исчезнуть.

Экспериментальное открытие

Итак, мы приходим к экспериментальным поискам кандидата на роль «дырки» в дираковском море. Мы знаем, что она должна быть заряжена положительно и по массе примерно соответствовать электрону.

Предполагается, что первым странные частицы наблюдал Дмитрий Скобельцын в 20х годах. Ему удалось заметить в детекторе треки, похожие на электрон, но с положительным зарядом. Объяснить такой эффект он не смог, и статья опубликована не была. 

После Скобельцына на историческую сцену выходят аспиранты нобелевского лауреата Роберта Милликена (премия за работы по фотоэффекту и измерению заряда электрона). Один их них — Чунг-Яо Чао, наблюдал прохождение фотонов через свинцовую фольгу. И тоже обнаружил необычные частицы. Но ни его руководитель, ни научное сообщество не поверило результатам, и признания они не получили. Второй аспирант, Карл Андерсон, к слову, друг Чао, наблюдал фотоны космических лучей в камере Вильсона. Его руководитель ожидал увидеть, как они будут раскалывать атомы на протоны и электроны. Частицы в камере летели в основном сверху вниз. И снова среди них обнаружились «электроны», отклоняющиеся в магнитном поле другую сторону — то есть положительно заряженные. Сначала Андерсон подумал, что это обычные электроны, но летящие снизу вверх. Он добавил в эксперимент свинцовую пластинку, чтобы убедиться, что частицы прилетели именно сверху. Но и тут Милликен не поверил своему аспиранту. Андерсон после продолжительных безуспешных попыток убедить шефа все же опубликовал свою работу. Надо отметить, что ни Андерсон, ни Милликен, скорее всего, не знали о теории Дирака. Ни у кого не возникло идеи отождествить необычные частицы с «дырками» в «море Дирака».

Следующий шаг сделали в Кембридже Блэкетт и Оккиалини. Они сумели сфотографировать достаточно большое число треков легких положительных частиц. Они уже знали о теории Дирака, но все равно не воспринимали ее всерьез. 

Андерсон, прочитав работу коллег, опубликовал второе, более подробное описание своих экспериментов. Наконец, под напором большого числа доказательств общественность признала открытие позитрона — именно так была названа предсказанная Дираком частица. За свое открытие Андерсон получил в 1936 году Нобелевскую премию. 

Замечу, что на сегодняшний день наблюдать антивещество может каждый. Инструкций как сделать облачную камеру Вильсона полно (например). Остается только добавить к ней электромагнит для разделения разноименно заряженных частиц.

Теперь мы знаем, что антивещество существует. В четком согласовании с теорией частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Обычно говорят об электрическом заряде. Но стоит помнить, что и другие квантовые заряды должны быть строго противоположны (или оба равны нулю). То есть, если частица участвует в сильном ядерном взаимодействии, то и античастица никуда не денется — будет участвовать. 

Антивещество во вселенной

Первое антивещество было обнаружено при помощи космических лучей. Сами эти лучи до земли не долетали, но порождали целые ливни вторичных частиц в атмосфере планеты. Вот их-то и увидел Андерсон и компания. Совершенно логично задаться вопросом — а сколько этого антивещества во Вселенной и где его искать? Как мы видим, на Земле его нет, иначе оно бы активно аннигилировало с обычным веществом. Есть ли оно в космосе? Тут ответить не так-то просто. В основном мы наблюдаем космос в электромагнитных лучах. То есть к нам прилетают фотоны. Они являются сами себе античастицей. И позитрон, и электрон породили бы абсолютно одинаковый фотон. Как и водород/антиводород. А вдруг все (кроме Земли) сделано из антивещества? И тогда при встрече нас ждет полное уничтожение в мощнейшей вспышке. 
В реальности, космос не такой уж и пустой. В Солнечной системе полно астероидов, комет и пыли. Пыль, в астрономии — это, на всякий случай, все, что меньше метра в диаметре. Всё это постоянно сталкивается и взаимодействует друг с другом. Если бы где-то встретились мир и антимир, мы бы это сразу увидели. Давайте смотреть шире — галактика Млечный путь. Но и в ней полно газовых облаков, они не изолированы друг от друга. Граница мира и антимира должна была бы сиять очень и очень ярко. Хорошо, с галактикой понятно. Если идти в самые темные области Вселенной — в пространство между сверхскоплениями галактик, то и там найдется несколько атомов водорода на сотню кубометров. Да, это очень мало, но сигнал от аннигиляции должен приходить строго на одной частоте. Редкие события будут происходить во Вселенной постоянно и сигнал с четко определенной энергией не составит труда обнаружить. Пока что наши наблюдения показывают, что антивещества в больших масштабах во Вселенной нет.

Возникает фундаментальнейший вопрос: как же образовалось полное доминирование вещества над антивеществом? Можно предложить два сценария:

1. Давайте постулируем, что во Вселенной с самого начало было больше вещества. С самого начала Большого Взрыва. 
2. Изначально, вещество и антивещество были в равных пропорциях. Затем каким-то образом вещества оказалось больше.

Первый путь кажется очень простым. Но он плохо согласуется с нашим пониманием ранней Вселенной. На ранних этапах она состояла в основном из излучения (фотонов), а у них нет антипартнеров. То есть они не могли создавать только частицы или античастицы. К тому же, эта гипотеза не очень элегантна. Столкнувшись с проблемой, мы искусственным образом фиксируем нужное нам значение параметра модели. Физика же, наоборот, старается минимизировать количество рукотворных (начальных) параметров и по-максимуму предоставить природе свободу. 

Так что необходимо придумать способ как сгенерировать превосходство вещества над антивеществом при равных исходных пропорциях. В первую очередь зададимся вопросом — а насколько больше вещества было в ранней Вселенной? Наши наблюдения показывают, что на 10 000 000 000 тождественных пар кварк-антикварк, приходился один лишний кварк. Со временем эти миллионы пар проаннигилировали, а из одной «лишней» частицы и вышло все вещество Вселенной, которое мы можем видеть вокруг. Нам всего лишь остается придумать как именно образовалась такая ничтожная асимметрия, положившая начало нашему миру вещества.

Условия Сахарова

Что же нам понадобится, чтобы создать такую асимметрию?

1) Необходим процесс, который меняет . Ведь понятно, что если мы рождаем/уничтожаем барионы и анти-барионы (читай, кварки/анти-кварки) вместе, то симметрию мы не нарушим.

Думаете это все? Как бы не так!
Вот нашли мы процесс, который создает больше барионов, чем анти-барионов. Открываем шампанское? Нет. Может запросто отыскаться зеркальный процесс, который создает анти-барионов больше ровно на такое же количество. 

2а) Необходимо отличие в процессах для частиц и для анти-частиц. Это называется нарушением С-симметрии (charge, зарядовая).

2б) Еще нам потребуется, чтобы законы физики отличались в зеркально отраженном мире. Зачем еще и это? Допустим, у нас разные законы для частиц и для античастиц. Но вдруг они выражаются в том, что античастицы вылетают «влево», а частицы «вправо»? Опять все компенсируется. Нужно и эту симметрию нарушать. Это называется P-симметрией (parity, пространственная).

Всего в физике три фундаментальных симметрии — C, P, T. С первыми двумя вы познакомились, третья — временная, меняем течение времени на противоположное. Все вместе они должны сохраняться. Иначе поломается.

Чтобы как-то упорядочить кашу в вашей голове, которая уже окончательно заварилась, давайте посмотрим на простую картинку, которая наглядно покажет, что и как каждая симметрия меняет. Допустим у нас есть ядро кобальта. Оно представляет из себя маленький магнит, или, выражаясь более строго, имеет не нулевой спин. Ядро это радиоактивное и может испускать электроны. Как будет выглядеть эта картина, если мы применим разные симметрии?



С — меняет частицы на античастицы
P — меняет направление движения на обратное, но сохраняет направления вращения. Ведь если взять шарик летящий по кругу, развернуть его скорость и поместить в противоположную сторону окружности, он продолжит крутиться в ту же сторону. Спин (намагниченность) часто отождествляют именно с вращением, поэтому он при зеркальном отображении не меняется.

3) Все это должно сопровождаться дико неоднородными процессами: какой-нибудь фазовый переход или неоднородное расширение.

Третье условие во Вселенной соблюдалось, неоднородности там были страшные. Первое условия выходит за рамки этой и без того подробной статьи. Скажу только, что пути решения этой проблемы есть. Сосредоточимся на наиболее интересном, на мой взгляд, пункте под номером 2.

Нарушения в кварках

На первый взгляд условия кажутся фантастическими. Ведь мы же почти уверены, что частицы и античастицы абсолютно симметричны. А уж лево-право тем более! Не может же природа сама, без вмешательства человека определить, где лево, а где право? Оказывается может. 
В 1956 году Ву проводит свой знаменитый эксперимент. Всё в точности, как на картинке, приведенной выше для пространственной (P) симметрии. Она сравнивает количество электронов, вылетевших вверх и вниз. И оно оказывается разным! Законы физики отличаются для нашего и зеркального мира.
Сказать, что физики удивились — ничего не сказать. Ландау потеря этой симметрии страшно разочаровала. Но он был уверен, что уж комбинированная симметрия частиц/античастиц и право/лево (CP) должна сохраняться. 

Спойлер — нет. В 1964 году, наблюдая за К мезонами, удалось обнаружить нарушение CP симметрии. Спустя годы, этот эффект удалось открыть для B мезонов (2001), а этой весной (2019) было объявлено от открытии этого эффекта для D мезонов. Почему для разных частиц это важно? Они состоят из разных кварков. То, что эффект работает одинаково для всех из них, очень хорошо показывает, что наша кварковая модель отлично описывает реальность.

Казалось бы, всё, что нам нужно для создания Вселенной готово. Но нет. Эффект оказался слишком мал. Его не хватало даже для того, чтобы создать тот самый один лишний кварк на 10 000 000 000 пар кварк-антикварк. 

Как могут помочь нейтрино

Итак, решить эту проблему с помощью кварков не получилось. Что еще есть в Стандартной Модели элементарных частиц, что может помочь?



Лептоны (электрон, мюон, нейтрино и тд). Для них наблюдается такой интересный эффект: они могут по кругу менять свои сорта — превращаться друг в друга, этот процесс называется нейтринными осцилляциями. И вот именно в этом процессе можно найти так необходимое физике CP нарушение, которое может оказаться гораздо сильнее, чем для кварков.

В мире действует достаточно экспериментов, исследующих этот эффект. Но для того, чтобы измерить разницу между свойствами нейтрино и антинейтрино нужно наблюдать в одинаковых условиях оба этих типа частиц. Причем необходима огромная статистика, ведь эффект ожидается чрезвычайно малым. Обычно природа не так сильно чувствительна к разнице частиц и античастиц. В настоящий момент на такие измерения способны только ускорительные эксперименты, которые измеряют осцилляции нейтрино при пролете им сотен километров. Давайте разберем что это такое и как такое реализуют.

Ускорительные эксперименты с нейтрино

Еще в 60х годах 20го века впервые удалось использовать ускорители для рождения большого числа нейтрино. В начале 21го века эту технологию начали применять для исследования нейтринных осцилляций. Схема получения интенсивного пучка нейтрино достаточно простая: пучок протонов направляется на графитовую мишень, где сталкивается с атомами углерода. При этих столкновениях вылетает большое количество мезонов (пар кварк-антикварк). Это заряженные нестабильные частицы. Пока они не распались их фокусируют магнитным полем, чтобы создать интенсивный пучок, направленный строго в детектор. А потом они распадаются на нейтрино, и вот у нас уже огромное количество нейтрино летит строго в детектор.


Одним из ведущих экспериментов в мире в этой области — T2K (Tokai-to-Kamioka), построенный в Японии.



Нейтрино производятся на восточном побережья Японии с помощью ускорителя протонов. Затем они пролетают в толще Земли 300 километров и попадают в дальний детектор — 50 килотонную бочку с водой SuperKamiokande. На своем пути они могут менять свой тип: превращаются из мюонных нейтрино в электронные. Недавно были получены указания на то, что нейтрино и антинейтрино ведут себя по разному. А именно, нарушают ту самую CP симметрию.
Возможно, это составная часть механизма, который и позволил нашей Вселенной сформироваться почти исключительно из вещества.


Фотография внутри SuperKamiokande во время работ в прошлом году. У дальней стены видны люди в лодке, слева на плоту также работает человек.

Сейчас в мире работают два ускорительных нейтринных детектора T2K в Японии и NOvA в США. В ближайшее десятилетие планируются эксперименты нового поколения HyperKamiokande в Японии и DUNE в США. Первый будет представлять из себя существенно улучшенную версию SuperKamiokande. Бочка с водой станет в 5 раз больше, светочувствительные элементы станут более точными — все это позволяет надеяться на окончательное решение вопроса с отличием в поведении нейтрино и антинейтрино.

А должны ли частицы отличаться от античастиц?..

Говоря о разнице между частицами и античастицами, нельзя не упомянуть еще одну интересную особенность нейтрино. С самого начала статьи мы подразумевали, что, например, кварк и антикварк отличаются друг от друга. То есть они суть разные частицы. Для заряженных частиц это всегда так, ведь ее партнер должен обладать противоположным зарядом. Очевидно же, что они должны отличаться.

С нейтральными частицами все сложнее. Вдруг они могут являться и частицами и античастицами одновременно? Да, могут! Итальянский физик Этторио Майорана показал, что для нейтрино эти два состояния могут совпадать. Нейтрино уникально в том смысле, что ни кварки, ни заряженные лептоны (например, электрон/мюон) никак не могут обладать таким свойством.

Возможно, тут сообразительный читатель вспомнит про нейтрон — нейтральную частицу, которая вместе с протоном образует ядра атомов. Но нет, нейтрон — составная частица. Она состоит из кварков, а значит антинейтрон должен состоять из антикваров. Поскольку кварки обладают зарядом, то их антипартнеры должны отличаться от оригинальных частиц.

Нейтрино — уникальная в этом плане частица. И какую же пользу мы можем из этого извлечь? Представим себе нейтрино, которое родилось в обычном бета-распаде. Это будет анти-нейтрино. Вместе с ним из ядра вылетит электрон. Но вот взаимодействовать это анти-нейтрино может не как анти-частица, а как частица, ведь они могут быть одинаковые. В результате получится еще один электрон.

В результате: из ничего мы получили два электрона. Не позитрона, а именно электрона! Вот пример того, как можно получить преимущество вещества над антивеществом. Сейчас ведутся активные поиски аналога такого процесса. Он называется безнейтринный двойной бета-распад. Невероятно чувствительные установки (раз, два, три и т.д.) стоят глубоко под землей для защиты от проникающих лучей, часто в очень чистой среде. Они пытаются зарегистрировать хоть одно такое событие, которое приведет к рождению двух электронов из двух нейтронов. Открытие такого эффекта позволит однозначно указать, что нейтрино и антинейтрино — тождественные частицы. Но пока такие события не найдены и поиски продолжаются.



Уже в ближайшие годы мы можем ожидать интересных открытий в нейтринной физике, которые могут пролить свет на проблему доминирования вещества во Вселенной.

Stay tuned!


(с) Symmetry Magazine


Хочется поблагодарить коллег и сообщество ЦЕРНач за помощь в работе над статьей. Напоминаю, что в ЦЕРНаче можно найти свежие новости по физике частиц, а с недавних пор и стримы из самого ЦЕРНа.