Голямата мистерия на антиматерията (статия)

За наш късмет новородената Вселена се е държала малко по-различно, от колкото могат да предположат най-добрите ни модели. Преди близо 14 милиарда години, Големият Взрив е създал равни количества материя и антиматерия. Би трябвало двата типа да са се унищожили взаимно, оставяйки една Вселена пълна само със светлина. Нашата Вселена обаче, противно на физичните модели, е пълна със звезди, планети и газ.

Звездите и галактиките, които осветяват небесата, нямаше да съществуват, ако материята не беше победила антиматерията в един много ранен период от живота на Вселената. Как и кога е станало това? Защо изобщо съществува нещо вместо нищо? Тези въпроси седят в основата на нашето съществувание, но науката все още няма точен отговор за тях.

Това все пак не значи, че нямаме прогрес. Физиците откриват важни следи от тази загадка, като създават антиматерия в лаборатории и я изследват. Други доказателства идват от неутриното - призрачните частици, създадени от Слънцето. Тези следи са ни довели до две
различни насоки за разследване и с нови експерименти може би сме близо до откриването на отговорите.

За да се развие Вселената, която наблюдваме днес, тя трябва да е развила предпочитание за материята, пред антиматерията в доста ранна възраст. За това е бил нужен съвсем малък дисбаланс, може би една оцеляла частица материя на 30 милиона анти-частици.

Дори това не може да е станало случайно. Дори този малък дисбаланс е твърде голям, за да се е получил в следствие на случайно колебание на горещата млада вселена. Този дисбаланс е твърде точен като сметки. Но пък и не виждаме антиматерия всеки ден около нас, колкото и малко да е. Значи начина, по който материята е взела превес над антиматерията, трябва да е закодиран някъде в основните закони на физиката.

Руският физик Андрей Сакхаров за пръв път повдигна тази тема през 1967г. Той показа, че за да съществува повече материя от антиматерия, трябва да са изпълнени три условия. Първо, Сакхаров изтъква, че никой физичен закон не може да забранява реакции, които ефективно променят баланса между частици на материята и антиматерията. Това е било голо изказване, защото такива реакции никога не са наблюдавани експериментално.

За да е възможно това, Сакхаров твърди, че законите на физиката трябва да имат малки вариации в отношението си към материята и антиматерията, както се е видяло в експерименти с каони (или така наречените К-мезони) три години по-рано. Наблюдавано е, че слабите сили, които играят роля в радиоактивното разграждане, не действат по еднакъв начин на кварки и анти-кварки.

Трето и последно, в живота на ранната Вселена трябва да е имало период, когато различните химични реакции между частици на материя и антиматерия с радиация в ранната плазма трябва да са започнали да се извършват с различни скорости. Това би могло да стане, само ако реакциите не са били в термално равновесие. Без тези три условия,
Вселената не би могла да се развие от балансираната ранна Вселена до сегашната, която съдържа почти само материя. Днес 40 години по-късно, условията на Сакхаров още са в сила както всякога. През годините на открития те са били важни пътеводители за теоретичните физици относно ранната Вселена.

Според стандартните модели на космологията, когато Вселената е била на възраст под 10^-12 секунди частиците и техните взаимодействия са били много по-различни от тези, които наблюдаваме днес. Всички фундаментални частици са били без маса и слабите реакции между тях са били по-активни. След като Вселената е почнала да се разширява и охлажда е добила подходящите условия на доста по-ниска енергия. Частиците са придобили маса и слабите им взаимодействия са станали по-редки.

Това по-хладно състояние е започнало като мехур, който се разширява бързо през ранната Вселена. Тогава повърхността на този мехур е нарушила термалното равновесие на Вселената. Някои от безмасовите частици на материя и антиматерия са попаднали в мехура, а други са били отблъснати.

Взаимодействията на мехура с околната среда, са правели много по-лесно за един кварк да влезне в него, отколкото за един антикварк и така вътре в него имало предимно кварки, докато антикварките отвън били унищожавани от по-активните процеси. Днес този мехур е с размера на самата Вселена и тъй като ние живеем в него, наблюдаваме факта, че материята домира над антиматерията.

Това е хубава и лесна за разбиране картинка. Единственият проблем е, че не отговаря на изчисленията. Когато използваме този стандартен модел, за да изчислим днешното количество материя и антиматерия, получаваме доста по-малък дисбаланс. Това е една от основните причини, физиците да смятат, че стандартния модел е недовършен и непълен. Дали има начин да го поправим?

Може би. Едно от най-популярните разширения на стандартния модел е така наречената "супер симетрия", според която трябва да има много повече още непознати частици, извън обсега на сегашните експерименти. Освен да обясни дисбаланса на антиматерията, супер симетрията може да ни разкаже и за същността на тъмната материя, която заема почти 90% от Вселената днес.

Супер симетрията допада на теоретиците, но до сега не сме открили експериментално никакво доказателство за нея. Все пак на скоро беше обявен процес, който също не се вписва в стандартната теория. Миналия месец екип физици от Италия, Франция и Швейцария, работещи по UTfit проекта, анализираха частици наречени B_s мезони, създадени в два експеримента в ускорителя Tevatron в Илиноис, САЩ. B_s мезоните, които състоят от "дънен" антикварк и "странен" кварк, са нестабилни и се разпадат чрез слаби сили до частици, изградени от по-леки кварки и антикварки. (За наименования на цветовете на кварките виж ТУК)

Според проекта UTfit, когато комбинират всичките си B_s резултати, откриват малко противоречие, което може да е докзателство за взаимодействия, непознати на стандартния модел, които действат по различен начин на кварките и антикварките и може евентуално да обясни дисбаланса в нашата Вселена.

Още е рано да се каже, дали това е първото доказателство за теорията "супер симетрия". Нужни са повече проучвания, за да се потвърди дали екипът на UTfit наистина са се натъкнали на нещо важно и все пак трябва да открием някакви нови супер-симетрични частици за доказателство. Това би могло да стане в LHC Големия Сблъсквател на Адрони - най-мощният ускорител на частици, които ще бъде включен по-късно тази година в комплекса CERN до Женева, Швейцария. Ако супер-симетрични частици бъдат открити там, ще можем да измерим точно масите им и евентуално някои техни взаимодействия, но дори това няма да е достатъчно. Ще трябват още експерименти, за да се каже със сигурност дали супер-симетрията е отговорна за взимането на точен превес на материята над антиматерията, когато Вселената е била на едва 10^-11 секунди.

Други експрименти за изучаване на супер симетрията са насрочени за Международния Линеен Сблъсквател (ILC), където се сблъскват електрони и позитрони, за да се изучават електромагнетичните свойства на неутрона. ILC трябва да бъде постоен късно в 2010-те години.

Неутрино на помощ

Алтернативен начин за обяснение на липсващата антиматерия се появи през 80-те години на 20-ти век. Японските физици Масатака Фукугита и Тсутому Янагида показаха, че дисбаланса материя-антиматерия може да се е случил в при сценарии наречен "лептогенеза". Ако тази идея е вярно, то дължим съществуването си на неутриното.

Неутриното са най-неуловимите от всички частици на стандартния модел и дълго се е смятало, че нямат никаква маса. Експерименти през 40-те години от САЩ, Япония, Канада и др. държави са показали, че стандартния модел греши и неутриното имат маса, макар и много малка.

Това означава, че тези частици може да са изиграли важна роля в неравновесието на антиматерията. Добавянето на масивни неутрино в теоретичната картина налага преправянето на стандартния модел и най-простият начин да се направи това, е да предположим съществуването на нов вид тежко неутрино наречено "долно неутрино" (singlet neutrino). Тези неутрино трябва да реаргират с останалите частици чрез необичайни природни сили и вероятно за това са толквоа трудни за засичане. Както всички останали фундаментални частици "долните неутрино" трябва да са били създадени в значителни количества в ранната Вселена. Все пак техните интеракции с термалното равновесие на първоначалната плазма са били пренебрежими, за да запазим едно от трите условия на Сакхаров.

Според идеята за лептогенеза, долното неутрино се движат свободно из Вселената, докато не се разпаднат на неутрино или анти-неутрино. Също така може при този процес да се създават повече анти-неутрино от неутрино, отново в съгласие с идеите на Сакхаров.

Така Лептогенезата би оставила ранната Вселена с повече анти-неутрино. На този етап стандартният модел предполага, че чрез реакции с огромна температура, антинеутрино може да бъде превърнато в частици на стандартна материя - протони и неутрони. Така Вселената остава опразнена от антиматерия.

Тестването на лептогенезата е сложно, тъй като е слабо вероятно да се създаде долно неутрино в лабораторни условия и да се измерят техните разпадания. Те вероятно са твърде тежки, а реакциите им твърде незабележими за нас. Все пак има начини да бъде тествана тази идея.

Според лептогенезата, долните неутрино могат да взаимодействат с нормални неутрино, разменяйки Хигсове - частиците, които се смята, че дават маса на всичко останало. От това, което знаем за стандартното неутрино и предположенията ни за Хигс, можем да направим заключения за долното неутрино. До сега неговите теоретични характеристики горе-долу съвпадат с това, което ни трябва за лептогенеза и предполага добри доказателства за тази идея.

Друг тест се отнася за свойство на лептогенезата наречено "лептонов номер". Електроните и неутриното принадлежат на семейство частици, наречено лептони и имат лептонов номер 1. Техните анти-съответствия имат стойност на номера -1. Във всички взаимодействия прегледани до сега, лептоновия номер остава един и същ преди и след реакцията.

Според лептогенезата обаче добавянето на долно неутрино в "сместа", позволява на обикновено неутрино да се превръща в анти-неутрино и обратното. Така лептоновия номер не се запазва. Физиците често експериментират с вариации на лептоновия номер, защото това директно би доказало първото условие на Сакхаров, че няма природен закон, забраняващ нарушаването на материя-антиматерия равновесието.

До сега само един екип твърди, че е успял да открие нарушаване на лептоновия номер. Hans Klapdor Kleingrothaus от Института по ядрена физика Макс Планк в Хайделберг, Германия, твърди, че неговата група е открила това нарушение за пръв път през 2001г.

Те твърдят, че са наблюдавали реакция, наречена "довен бета разпад без неутрино". При нормалния бета разпад, неутрон в ядро спонтанно се трансформира в протон, създавайки електрон и антинеутрино в процеса. Лептоновия номер е 0 преди и след това. При някои радиоактивни елементи може да се наблюдава "двоен бета-разпад", при който два неутрона в ядро се превръщат едновременно, създавайки два електрона и две анти-неутрино. При версията "без неутрино" на немския екип няма създадено анти-неутрино, ами само два електрона. Тук лептоновия номер се променя от 0 преди реакцията до 2 след това.

Резултатите на тези учени от Хайделберг е спорен и докато няколко други екипа сега се опитват да повторят експеримента, никой още не е успял. Все пак още много физици са убедени, че именно лептогенезата е най-удачното решение на мистерията на антиматерията и търсенето на нарушение в лептоновия номер продължава.

За сега мистерията има поне два възможни отговора. Само остава чрез експерименти да се отхвърли единия или дори и двата и теоретичните физици да почнат всичко от начало. Ако супер симетрията даде нужния отговор, евентуално ще го потвърдим. Но ако лептогенезата е правилния отговор, може вечно да остане спорен и недоказан аспект на космологията. Независимо дали ни харесва или не, явно може Вселената никога да не разкрие някои свои тайни.

Оригинална статия: The Great Antimatter Mystery