Під час експериментів у Брукхейвенській національній лабораторії в США міжнародна група фізиків виявила найважчі «антиядра», які будь-коли бачили. Крихітні короткоживучі об’єкти складаються з екзотичних частинок антиматерії.
Вимірювання того, як часто утворюються ці сутності, і їхні властивості підтверджують наше поточне розуміння природи антиматерії та допоможуть у пошуку ще одного таємничого виду частинок — темної матерії — у глибокому космосі. Результати були опубліковані на початку цього місяця в природа.
Зниклий дзеркальний світ
Ідея антиматерії налічує менше століття. У 1928 році британський фізик Пол Дірак розробив дуже точну теорію поведінки електронів, яка зробила тривожне передбачення: існування негативно заряджених електронів, які унеможливлять стабільний Всесвіт, у якому ми живемо.
На щастя, вчені знайшли альтернативне пояснення цих станів «негативної енергії»: антиелектрони, або двійники електрона з протилежним електричним зарядом. Антиелектрони були належним чином виявлені в експериментах у 1932 році, і з того часу вчені виявили, що всі фундаментальні частинки мають свої еквіваленти антиматерії.
Однак тут виникає інше питання. Антиелектрони, антипротони та антинейтрони повинні мати можливість об’єднуватися, створюючи цілі антиатоми, а також антипланети та антигалактики. Крім того, наші теорії Великого вибуху припускають, що рівна кількість матерії та антиматерії мала бути створена на початку Всесвіту.
Але куди б ми не подивилися, ми бачимо матерію – і лише крихітні кількості антиматерії. Куди поділася антиматерія? Це питання спантеличило вчених майже століття.
Фрагменти подрібнених атомів
Сьогоднішні результати отримані в результаті експерименту STAR, який розташований на коллайдері релятивістських важких іонів у Національній лабораторії Брукхейвена в США. Ці зіткнення створюють крихітні інтенсивні вогняні кулі, які коротко повторюють умови Всесвіту в перші мілісекунди після Великого вибуху.
Кожне зіткнення створює сотні нових частинок, і експеримент STAR може виявити їх усіх. Більшість цих частинок є короткоживучими, нестабільними утвореннями, які називаються піонами, але іноді з’являється щось більш цікаве.
У детекторі STAR частинки проходять крізь великий заповнений газом контейнер у магнітному полі та залишають за собою видимі сліди. Вимірюючи «товщину» доріжок і те, наскільки вони вигинаються в магнітному полі, вчені можуть визначити, яка саме частинка їх породила. Матерія та антиматерія мають протилежний заряд, тому їхні шляхи будуть згинатися в протилежних напрямках у магнітному полі.
“антиводень”
У природі ядра атомів складаються з протонів і нейтронів. Однак ми також можемо створити щось під назвою «надядро», в якому один із нейтронів замінено гіперонієм — трохи важчою версією нейтрона.
Те, що вони виявили в експерименті STAR, було суперядром антиматерії, або антинадядром. Насправді це було найважче та найекзотичніше ядро антиматерії, яке коли-небудь бачили.
Якщо бути конкретним, то він складається з антипротона, двох антинейтронів і антигіперону і називається антигіперводень-4. Серед мільярдів утворених іонів дослідники STAR виявили лише 16 ядер антигіперводню-4.
Результати підтверджують прогнози
У новій статті ці нові та більш важкі антиядра, а також ряд інших легших антиядер порівнюються з їхніми аналогами у звичайній матерії. Усі суперядра нестабільні й розпадаються приблизно через десяту частку наносекунди.
Порівнюючи надядра з їхніми антинадядерними аналогами, ми бачимо, що вони мають ідентичний час життя та масу — саме те, чого ми очікували б від теорії Дірака. Існуючі теорії також добре передбачають, як легші антинадядра утворюються частіше, а важкі — рідше.
Світ тіней теж?
Антиматерія також має захоплюючі зв’язки з іншою екзотичною речовиною, темною матерією. Зі спостережень ми знаємо, що темна матерія пронизує Всесвіт і є в п’ять разів більшою, ніж звичайна матерія, але ми ніколи не могли її виявити безпосередньо.
Деякі теорії темної матерії передбачають, що якщо дві частинки темної матерії зіткнуться, вони знищать одна одну та спричинять вибух матерії та частинок антиматерії. Тоді це вироблятиме антиводень і антисонце, і експеримент під назвою Альфа-магнітний спектрометр на Міжнародній космічній станції шукає його.
Якби ми спостерігали антисонце в космосі, як би ми дізналися, чи було воно створене темною чи нормальною матерією? Ну, такі вимірювання, як це нове від STAR, дозволяють нам відкалібрувати наші теоретичні моделі того, скільки антиматерії утворюється під час звичайних зіткнень матерії. Цей останній документ надає велику кількість даних для цього типу калібрування.
Ключові питання залишаються
За минуле століття ми багато чого дізналися про антиматерію. Однак ми все ще не наблизилися до відповіді на питання, чому ми бачимо його так мало у Всесвіті.
Експеримент STAR далеко не єдиний у своєму прагненні зрозуміти природу антиматерії та куди вона поділася. Робота над такими експериментами, як LHCb і Alice на Великому адронному колайдері в Швейцарії, сприятиме нашому розумінню, шукаючи ознаки відмінностей у поведінці матерії та антиматерії.
Можливо, до 2032 року, до сторіччя першого відкриття антиматерії, ми досягнемо певних успіхів у розумінні місця цієї дивної дзеркальної матерії у Всесвіті — і навіть того, як вона пов’язана з загадкою темної матерії.
Ульрік Егеде, професор фізики в університеті Монаш. Цю статтю перепубліковано з The Conversation за ліцензією Creative Commons. Прочитайте оригінальну статтю.
Під час експериментів у Брукхейвенській національній лабораторії в США міжнародна група фізиків виявила найважчі «антиядра», які будь-коли бачили. Крихітні короткоживучі об’єкти складаються з екзотичних частинок антиматерії.
Вимірювання того, як часто утворюються ці сутності, і їхні властивості підтверджують наше поточне розуміння природи антиматерії та допоможуть у пошуку ще одного таємничого виду частинок — темної матерії — у глибокому космосі. Результати були опубліковані на початку цього місяця в природа.
Зниклий дзеркальний світ
Ідея антиматерії налічує менше століття. У 1928 році британський фізик Пол Дірак розробив дуже точну теорію поведінки електронів, яка зробила тривожне передбачення: існування негативно заряджених електронів, які унеможливлять стабільний Всесвіт, у якому ми живемо.
На щастя, вчені знайшли альтернативне пояснення цих станів «негативної енергії»: антиелектрони, або двійники електрона з протилежним електричним зарядом. Антиелектрони були належним чином виявлені в експериментах у 1932 році, і з того часу вчені виявили, що всі фундаментальні частинки мають свої еквіваленти антиматерії.
Однак тут виникає інше питання. Антиелектрони, антипротони та антинейтрони повинні мати можливість об’єднуватися, створюючи цілі антиатоми, а також антипланети та антигалактики. Крім того, наші теорії Великого вибуху припускають, що рівна кількість матерії та антиматерії мала бути створена на початку Всесвіту.
Але куди б ми не подивилися, ми бачимо матерію – і лише крихітні кількості антиматерії. Куди поділася антиматерія? Це питання спантеличило вчених майже століття.
Фрагменти подрібнених атомів
Сьогоднішні результати отримані в результаті експерименту STAR, який розташований на коллайдері релятивістських важких іонів у Національній лабораторії Брукхейвена в США. Ці зіткнення створюють крихітні інтенсивні вогняні кулі, які коротко повторюють умови Всесвіту в перші мілісекунди після Великого вибуху.
Кожне зіткнення створює сотні нових частинок, і експеримент STAR може виявити їх усіх. Більшість цих частинок є короткоживучими, нестабільними утвореннями, які називаються піонами, але іноді з’являється щось більш цікаве.
У детекторі STAR частинки проходять крізь великий заповнений газом контейнер у магнітному полі та залишають за собою видимі сліди. Вимірюючи «товщину» доріжок і те, наскільки вони вигинаються в магнітному полі, вчені можуть визначити, яка саме частинка їх породила. Матерія та антиматерія мають протилежний заряд, тому їхні шляхи будуть згинатися в протилежних напрямках у магнітному полі.
“антиводень”
У природі ядра атомів складаються з протонів і нейтронів. Однак ми також можемо створити щось під назвою «надядро», в якому один із нейтронів замінено гіперонієм — трохи важчою версією нейтрона.
Те, що вони виявили в експерименті STAR, було суперядром антиматерії, або антинадядром. Насправді це було найважче та найекзотичніше ядро антиматерії, яке коли-небудь бачили.
Якщо бути конкретним, то він складається з антипротона, двох антинейтронів і антигіперону і називається антигіперводень-4. Серед мільярдів утворених іонів дослідники STAR виявили лише 16 ядер антигіперводню-4.
Результати підтверджують прогнози
У новій статті ці нові та більш важкі антиядра, а також ряд інших легших антиядер порівнюються з їхніми аналогами у звичайній матерії. Усі суперядра нестабільні й розпадаються приблизно через десяту частку наносекунди.
Порівнюючи надядра з їхніми антинадядерними аналогами, ми бачимо, що вони мають ідентичний час життя та масу — саме те, чого ми очікували б від теорії Дірака. Існуючі теорії також добре передбачають, як легші антинадядра утворюються частіше, а важкі — рідше.
Світ тіней теж?
Антиматерія також має захоплюючі зв’язки з іншою екзотичною речовиною, темною матерією. Зі спостережень ми знаємо, що темна матерія пронизує Всесвіт і є в п’ять разів більшою, ніж звичайна матерія, але ми ніколи не могли її виявити безпосередньо.
Деякі теорії темної матерії передбачають, що якщо дві частинки темної матерії зіткнуться, вони знищать одна одну та спричинять вибух матерії та частинок антиматерії. Тоді це вироблятиме антиводень і антисонце, і експеримент під назвою Альфа-магнітний спектрометр на Міжнародній космічній станції шукає його.
Якби ми спостерігали антисонце в космосі, як би ми дізналися, чи було воно створене темною чи нормальною матерією? Ну, такі вимірювання, як це нове від STAR, дозволяють нам відкалібрувати наші теоретичні моделі того, скільки антиматерії утворюється під час звичайних зіткнень матерії. Цей останній документ надає велику кількість даних для цього типу калібрування.
Ключові питання залишаються
За минуле століття ми багато чого дізналися про антиматерію. Однак ми все ще не наблизилися до відповіді на питання, чому ми бачимо його так мало у Всесвіті.
Експеримент STAR далеко не єдиний у своєму прагненні зрозуміти природу антиматерії та куди вона поділася. Робота над такими експериментами, як LHCb і Alice на Великому адронному колайдері в Швейцарії, сприятиме нашому розумінню, шукаючи ознаки відмінностей у поведінці матерії та антиматерії.
Можливо, до 2032 року, до сторіччя першого відкриття антиматерії, ми досягнемо певних успіхів у розумінні місця цієї дивної дзеркальної матерії у Всесвіті — і навіть того, як вона пов’язана з загадкою темної матерії.
Ульрік Егеде, професор фізики в університеті Монаш. Цю статтю перепубліковано з The Conversation за ліцензією Creative Commons. Прочитайте оригінальну статтю.
