Чем меньшие масштабы мы изучаем, тем более фундаментальные знания о природе нам открываются. Если бы мы могли понять и описать самые мелкие из существующих объектов, мы могли бы построить на этой основе понимание крупных. Однако мы не знаем, существует ли предел минимизации пространства.
В нашей Вселенной существуют правила, нарушения которых мы ещё ни разу не наблюдали. Мы ожидаем, что некоторые из них никогда не нарушались. Ничто не может двигаться быстрее света. При взаимодействии двух квантов энергия всегда сохраняется. Нельзя создать или уничтожить импульс и угловой момент. И так далее. Но некоторые из этих правил, хотя мы этого и не видели, в какой-то момент прошлого должны были нарушиться.
Одно из них – симметрия материи и антиматерии. Каждое взаимодействие, в котором рождаются или уничтожаются частицы материи, уничтожает или порождает равное количество их двойников из мира антиматерии – античастицы. Учитывая, что наша Вселенная почти полностью состоит из материи, и почти не содержит антиматерии (нет никаких звёзд, галактик или стабильных космических структур, состоящих из антиматерии), эта симметрия, очевидно, была нарушена в прошлом. Однако как именно это произошло, остаётся тайной. Загадка асимметрии материи/антиматерии остаётся одним из величайших открытых вопросов физики.
Кроме того, мы обычно говорим «частицы», подразумевая составные части материи, и «античастицы», подразумевая составные части антиматерии, однако это не совсем верно. Частицы – не всегда материя, а античастицы – не всегда антиматерия. Вот, что говорит наука по поводу этой контринтуитивной ситуации.
От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных. В человеческом теле содержится порядка 1028 атомов.
Представляя себе материалы, которые можно найти на Земле, вы, наверно, будете считать, что 100% их состоит из материи. Примерно так и есть – практически вся наша планета состоит из материи. Она же состоит из протонов, нейтронов и электронов – и всё это частицы материи. Протоны и нейтроны – составные частицы, состоящие из верхних и нижних кварков, связывающихся при помощи глюонов, и формирующих ядра атомов. К этим ядрам привязаны электроны – так, что общий электрический заряд атома равен нулю, а электроны связаны с ядрами электромагнитным взаимодействием, передающимся при помощи обмена фотонами.
Однако периодически одна из частиц в атомном ядре претерпевает радиоактивный распад. Типичный пример – бета-распад. Один из нейтронов превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино. Изучив свойства различных частиц и античастиц, участвующих в этом распаде, можно многое узнать о Вселенной.
Схематичное изображение ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Бета-распад работает при помощи слабых взаимодействий, превращая нейтрон в протон, электрон и электронное антинейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняется энергия и импульс.
Нейтрон, с которого мы начали, имеет следующие свойства:
- Он электрически нейтрален, общий его заряд равен нулю.
- Он состоит из трёх кварков – двух нижних (с электрическими зарядами по -1/3) и одного верхнего (с электрическим зарядом 2/3).
- В нём содержится около 939 МэВ энергии в виде массы покоя.
У частиц, на которые он распадается — протона, электрона и электронного антинейтрино – тоже есть свои уникальные свойства.
- Электрический заряд протона +1, он состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, и в нём содержится около 938 МэВ энергии в массе покоя.
- Электрический заряд электрона равен -1, это фундаментально невидимая частица, и в ней хранится около 0,5 МэВ энергии в массе покоя.
- У электронного антинейтрино нет электрического заряда, это фундаментально невидимая частица, её масса покоя неизвестна (но больше нуля), и в ней хранится не более 0,0000001 МэВ энергии.
Все обязательные законы сохранения никуда не делись. Энергия сохраняется, а небольшой запас «лишней» энергии нейтрона превращается в кинетическую энергию получающихся частиц. Импульс сохраняется, и сумма импульсов получившихся частиц всегда равняется начальному моменту нейтрона. Однако нам хочется не только изучить, с чего мы начали, и чем закончили – мы хотим знать, как это произошло.
Свободные нейтроны нестабильны. Период полураспада у них составляет 10,3 минуты, и распадаются они на протоны, электроны и электронные антинейтрино. Если поменять нейтрон на антинейтрон, то все частицы поменяются на соответствующие античастицы. Материю заменит антиматерия, а антиматерию – материя.
Согласно квантовой теории, для распада необходима управляющая им частица. В квантовой теории слабых взаимодействий, описывающей данный процесс, этим занимается W- бозон, играющий роль одного из нижних кварков нейтрона. Посмотрим, что происходит с фундаментальными частицами.
Один из нижних кварков в нейтроне испускает виртуальный W- бозон, из-за чего превращается в верхний кварк. В данном взаимодействии количество кварков сохраняется.
Виртуальный W- бозон может распасться на много различных частиц, однако этот процесс ограничивает закон сохранения энергии. Его конечные продукты распада не должны иметь больше энергии, чем разница в массе покоя между нейтроном и протоном.
Поэтому по большей части в распаде рождается электрон (чтобы унести отрицательный заряд) и электронное антинейтрино. В редких случаях можно увидеть радиационный распад, в результате которого получается дополнительный фотон. В принципе, можно заставить W- бозон распадаться на комбинацию из кварков и антикварков (к примеру, из нижнего и антиверхнего), однако для этого требуется слишком много энергии – больше, чем получается при распаде нейтрона до протона.
При нормальных условиях низких энергий свободный нейтрон распадётся на протон посредством слабого взаимодействия – в этом случае на диаграмме время увеличивается вверх. При достаточно больших энергиях эта реакция может пойти в обратную сторону. Протон и позитрон или нейтрино могут провзаимодействовать, выдав нейтрон – то есть, при взаимодействии протона с протоном может появиться дейтрон. Так работает первый, критически важный шаг синтеза в Солнце.
Теперь давайте перевернём всё зеркально, перейдя от материи к антиматерии. Вместо распада нейтрона представим распад антинейтрона. Свойства антинейтрона очень похожи на свойства нейтрона, упомянутые ранее, но есть и важные отличия:
- Он электрически нейтрален, его общий заряд равен нулю.
- Он состоит из трёх антикварков – двух антинижних (с зарядами +1/3) и одного антиверхнего (с зарядом -2/3).
- Он содержит 939 МэВ энергии в виде массы покоя.
Переходя от материи к антиматерии, мы просто заменили все частицы на их двойники из антиматерии. Массы остались теми же, состав (с учётом приставки «анти») остался тем же, а электрический заряд сменился на противоположный. И хотя нейтрон и антинейтрон электрически нейтральны, заряд у их компонентов поменялся.
И это, кстати, можно измерить! Хотя заряд нейтрален, у нейтрона есть т.н. магнитный момент, для которого нужны и спин, и электрический заряд. Мы смогли измерить его магнитный момент – он равен -1,91 магнетонам Бора. Магнитный момент антинейтрона равен +1,91 магнетонам Бора. Вся его заряженная начинка должна быть противоположной у материи и антиматерии.
Благодаря экспериментам и новым теоретическим изысканиям мы стали лучше разбираться во внутренней структуре нуклонов, протонов и нейтронов, включая то, как распределяется «море» из кварков и глюонов. Исследования позволяют объяснить большую часть массы барионов, а также их нетривиальные магнитные моменты.
При распаде антинижний кварк испускает W+ бозон, двойника W- бозона из антиматерии, что превращает антинижний кварк в антиверхний. Бозон W+, как и прежде, виртуальный – его нельзя наблюдать, а для создания «реального» бозона не хватает массы/энергии. Однако продукты его распада видны – позитрон и электронное нейтрино. (Да, радиационные эффекты тоже могут проявиться – в редких случаях один или несколько фотонов добавляются к продуктам распада). Всё получается зеркальным отображением предыдущего варианта, каждая частица материи меняется на двойника из антиматерии, а частицы антиматерии (типа электронных антинейтрино) – наоборот.
Что касается материалов, которые можно найти на Земле, то почти все они состоят из материи — протонов, нейтронов и электронов. Малая часть этих нейтронов распадается, а значит, у нас также есть W- бозоны, дополнительные протоны и электроны (и фотоны), а также немного электронных антинейтрино. Всё, что мы знаем, хорошо описывает Стандартная модель, и для описания всего хватает частиц и античастиц.
[кликабельно] Стандартная модель помогает нам определить, какие частицы существуют в реальности, и какие для каждой из них есть античастицы. И хотя Вселенная в основном состоит из материи, и имеет лишь следовые включения антиматерии, не каждую её частицу можно отнести только либо к материи, либо к антиматерии.
Мы могли бы заменить Землю «анти-Землёй», антиматериальной версией себя. Тогда мы бы просто заменили каждую частицу на соответствующую ей античастицу. Вместо протонов и нейтронов (состоящих из кварков и глюонов) у нас были бы антипротоны и антинейтроны (состоящие из антикварков, но с теми же 8 глюонами). Вместо распада нейтронов посредством W- бозона был бы распад антинейтрона посредством W+ бозона. Вместо получения электрона и электронного антинейтрино (и иногда фотона), мы бы получали позитрон и электронное нейтрино (и иногда фотон).
Нормальная материя Вселенной состоит из кварков и лептонов. Из кварков состоят протоны и нейтроны (и в целом барионы), а в лептоны входят электроны и их более тяжёлые родственники, а также три обычных нейтрино. С обратной стороны существуют античастицы, из которых состоит антиматерия – антикварки и антилептоны. Хотя обычные распады идут разными путями с участием бозонов W- и W+, существует небольшое количество антиматерии в виде позитронов и электронных антинейтрино. Это было бы так, даже если бы мы сумели каким-то образом «избавиться» от всей внешней Вселенной, включая Солнце, космические лучи и другие источники частиц и энергии.
Частицы и античастицы Стандартной модели, существование которых предсказывают законы физики. Кварки и лептоны – это фермионы и материя. Антикварки и антилептоны – это антифермионы и антиматерия. Однако бозоны – это не материя и не антиматерия.
Но что насчёт остальных частиц и античастиц? Говоря о материи и антиматерии, мы говорим только о фермионах – кварках и лептонах. Однако существуют ещё и бозоны:
- 1 фотон, посредник в электромагнитном излучении.
- 8 глюонов, посредники в сильном ядерном взаимодействии.
- 3 слабых бозона, W+, W- и Z0, посредники в слабом взаимодействии и слабых распадах, а также бозон Хиггса, отличающийся от всех остальных.
Некоторые из частиц являются античастицами сами для себя – фотон, Z0 и бозон Хиггса. W+ — античастица для W-, а три пары глюонов явно являются античастицами друг для друга (с четвёртой парой всё немного сложнее).
Если столкнуть частицу с её античастицей, они аннигилируют, и могут выдать всё, на что хватит энергии, с учётом всех квантовых законов сохранения – энергии, импульса, углового момента, электрического заряда, барионного числа, лептонного числа, номера семейства лептонов, и т.д. Это верно и для частиц, являющихся античастицами для самих себя.
Равносимметричная коллекция бозонов материи и антиматерии (X и Y, и анти-X с анти-Y) с правильными свойствами GUT могла бы породить асимметрию материи и антиматерии, которую мы сегодня наблюдаем во Вселенной.
Примечательно тут то, как появляется идея противостояния «материи» и «антиматерии». Если у вас положительное барионное или лептонное число, вы материя. Если отрицательное, вы антиматерия. А если у вас нет барионного или лептонного числа – вы ни материя, ни антиматерия! Хотя частиц есть два типа – фермионы (кварки и лептоны) и бозоны (всё остальное) – в нашей Вселенной только фермионы могут быть материей или антиматерией.
Если нейтрино окажутся майорановскими фермионами, теорию придётся пересмотреть – ведь майорановские фермионы могут быть античастицами для самих себя.
Значит, составные частицы, типа пионов или других мезонов, состоящие из комбинаций кварков и антикварков, не относятся ни к материи, ни к антиматерии – они состоят и из того, и из другого. Позитроний – связанные вместе электрон и позитрон, тоже не относится ни к материи, ни к антиматерии. Если существуют лептокварки или сверхтяжёлые X или Y бозоны из теорий великого объединения, то они будут примером частиц, обладающих одновременно барионным и лептонным числом – для них будут варианты как из материи, так и из антиматерии. Если бы теория суперсимметрии была верной, у нас были бы фермионные двойники фотонов – фотино – не относящиеся ни к материи, ни к антиматерии. У нас могли бы быть даже суперсимметричные бозоны – скварки – и тогда их варианты частиц и античастиц делились бы на материю и антиматерию.
Частицы Стандартной Модели и их суперсимметричные двойники. Из них нашли чуть меньше половины, а свидетельств существования остальных пока никто не видел. Суперсимметрия должна улучшить Стандартную Модель, но пока ещё не сделала ни одного успешного предсказания.
Очень просто было бы считать, что во Вселенной есть материя, состоящая из частиц, и антиматерия, состоящая из их двойников-античастиц. Частично это так – большинство частиц Вселенной состоит из того, что мы считаем материей. Если мы заменим их все на антиматерию, получится то, что мы считаем антиматерией. Это так для всех кварков (с барионным числом +1/3), лептонов (с лептонным числом +1), антикварков (с барионным числом -1/3) и антилептонов (с лептонным числом -1).
Но всё остальное – все бозоны, не имеющие барионных и лептонных чисел, все композитные частицы, суммарные барионные и лептонные числа которых равны нулю, находятся в промежуточной области, не принадлежа ни к материи, ни к антиматерии. В таком случае нельзя один их тип отнести к частице, а другой – к античастице. Да, W+ и W- могут аннигилировать, как частица/античастица, однако их нельзя разделить на материю и антиматерию, как и все остальные бозоны. Они, так сказать, не могут претендовать на такой статус. Нет смысла спрашивать, какой из них – материя, а какой – антиматерия. Друг для друга они являются частицей и античастицей, но ни у одного из них нет свойств, характерных для материи или антиматерии.
