Big Think: без асимметрии между материей и антиматерией мира бы не существовало

Учёные знают поразительное количество странных вещей. Нам, например, известно, что Вселенная появилась около 14 миллиардов лет назад в результате катаклизма, так называемого Большого взрыва. Это событие было впервые экспериментально доказано в 1929 году, и с годами появлялось всё больше подтверждений в пользу гипотезы. В том, что так всё и было, нет никаких событий.

Мы также знаем, что помимо обычной материи, из которой мы состоим, существует ещё и необычная, так называемая антиматерия. Когда оба типа материи соприкасаются, они уничтожают друг друга, и высвобождается ошеломляюще огромное количество энергии. При контакте одного грамма антиматерии с одним граммом материи высвобождается такое же количество энергии, как при взрыве атомной бомбы в Хиросиме в 1945 году.

Если объединение материи и антиматерии приводит к образованию энергии, то и обратный процесс тоже возможен. Энергия может образовывать материю и антиматерию, причём в равных количествах. Антиматерия была открыта в 1931 году, и с тех пор появлялось всё больше доказательств этой теории. Существование антиматерии общепризнано, она даже сыграла значимую (и в некоторой степени реалистичную) роль в романе-блокбастере Дэна Брауна "Ангелы и демоны".

Существует множество доказательств теории Большого взрыва и существования антиматерии, но в этом-то и загвоздка. Если объединить эти два факта, возникает сложный вопрос: и то, и другое не может быть одновременно правдой, или, как минимум, в этой теории есть недостающий элемент.

И вот тут возникает проблема. Когда появилась Вселенная, в космосе было полно энергии. Энергия может превращаться в материю и антиматерию. По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась, вся эта энергия по идее должна была превратиться в равное количество материи и антиматерии. Но если посмотреть вокруг, можно сделать любопытный вывод: Вселенная, которую мы видим, состоит только из материи.

По общему мнению, антиматерия может быть где-нибудь "там" во Вселенной. В конце концов, если материя и антиматерия не соприкасаются, то и проблемы нет. В принципе, антиматерией могла бы быть Луна. Но мы знаем, что это не так. Если Нил Армстронг и весь его лунный модуль представляли материю, а Луна была бы антиматерией, то при соприкосновении космического аппарата с поверхностью спутника произошёл бы очень крупный взрыв. Этого не произошло, поэтому теперь мы знаем, что Луна состоит из материи.

Исследование других небесных тел позволяет нам сделать такой же вывод о наших космических соседях: Солнечная система состоит из материи. А как насчёт других звёзд? Мы можем быть уверены в том, что другие звёзды в галактике Млечного Пути тоже состоят из материи.

Такие звёзды, как Солнце, постоянно испускают частицы, которые именуют в нашей системе "солнечным ветром". На самом деле это поток атомов, испускаемых Солнцем в межзвёздное пространство.

Если бы существовали звёзды, состоящие из антиматерии, то они бы и выпускали атомы антиматерии, и тогда атомы материи и антиматерии летали бы в межзвёздном пространстве. Иногда они бы сталкивались и уничтожали друг друга. Если бы такое происходило, то в результате этого процесса могла бы появиться особая форма гамма-излучения (что-то вроде очень мощного рентгеновского).

Но поскольку такого гамма-излучения не обнаружено, мы можем быть уверены в том, что другие звёзды тоже состоят из материи. И по такому же принципу можно исключить существование галактик из антиматерии. В межгалактическом пространстве газовые облака, окружающие галактики, соприкасались бы, и мы бы тогда узнали о взаимодействии облаков из материи и антиматерии.

Если же всё-таки нельзя исключить возможность существования галактик из материи и антиматерии, то с чем мы тогда имеем дело? Остаётся очень странная гипотеза о том, что каким-то образом во время возникновения Вселенной материи было больше, чем антиматерии. И, похоже, что так оно и было.

По имеющимся данным, на ранней стадии образования Вселенной, менее чем через секунду после её возникновения, на каждые два миллиарда частиц антиматерии приходилось два миллиарда и одна частица материи. Два миллиарда частиц материи и антиматерии уничтожили друг друга, оставив одну частицу материи, которая потом объединилась с остальными себе подобными. Таким образом сформировалась материя, с которой мы имеем дело сейчас.

Энергию, образовавшуюся в результате уничтожения материи и антиматерии, можно встретить где угодно. Радиоволны заполняют всю Вселенную. Это явление известно как космическое микроволновое фоновое излучение. Именно путем измерения реликтового излучения и подсчета протонов во Вселенной мы определили соотношение материи и антиматерии.

Как так вышло, что соотношение материи и антиматерии на раннем этапе образования Вселенной было слегка непропорциональным? Мы не знаем ответа на вопрос, но у учёных есть некоторые мысли на этот счёт.

Например, в 60-х годах учёные обнаружили, что субатомные частицы материи во Вселенной слегка преобладают над своими эквивалентами антиматерии. Эти частицы называются кварками. Но непропорциональное соотношение кварков и антикварков не в достаточной мере объясняет существование Вселенной, поэтому исследователи предложили другую гипотезу.

Нейтрино — это такие частицы с очень маленькой массой, которые образуются при некоторых формах радиоактивного распада. Крупнейшим и ближайшим источником нейтрино является Солнце. Исследователи создают ускорители и детекторы частиц, чтобы изучить поведение нейтрино и антинейтрино и узнать, есть ли у них различия. Если нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному, то это стало бы ключом к разгадке. Тогда можно было бы заключить, что наша Вселенная сформировалась в результате лептогенеза, то есть из частиц малой массы.

Для изучения этой теории сейчас строят разные объекты, но крупнейший находится в США и называется DUNE (Глубокий подземный нейтринный эксперимент). В рамках эксперимента исследователи лаборатории Фермилаб, недалеко от Чикаго, будут выстреливать нейтрино и антинейтрино по направлению специального детектора, который находится в Южной Дакоте, на расстоянии в 1300 километров. Эксперимент в DUNEпланируется провести в этом десятилетии. (Открою вам секрет: я — исследователь Фермилаб, но не связан с DUNE).

Никто не знает, почему Вселенная благосклонна к материи, но не к антиматерии. Важно в этом разобраться. Без этого крошечного дисбаланса (или асимметрии) нас бы попросту не существовало. Так что мы должны ответить на этот вопрос, чтобы понять, почему галактики, звёзды и люди продолжают существовать.