Этюд об античастицах: Антиматерия, антивещество... Что это такое?

Позднее выяснилось, что частицам микромира вообще свойственно превращаться друг в друга, причем многими способами. Открытие античастиц положило начало коренной трансформации фундаментальных представлений о природе материи. Мысль о возможности существования антивещества впервые была высказана в 1898 году – англичанин Артур Шустер опубликовал в журнале Nature весьма туманную заметку, вероятно, вдохновленную недавним открытием электрона.

«Если существует отрицательное электричество, – вопрошал Шустер, – то почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, с той же точкой плавления и с таким же спектром?» А дальше у него – впервые в мировой научной литературе – появляются и слова «антиатом» и «антивещество». Шустер предполагал, что антиатомы притягиваются друг к другу гравитационными силами, но отталкиваются от обычной материи.

Такие античастицы, как антиэлектроны, впервые были замечены в эксперименте опять-таки до момента своего официального открытия. Это сделал ленинградский физик Дмитрий Скобельцин, который в 1920-х годах исследовал рассеяние гамма-лучей на электронах в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Он заметил, что некоторые треки вроде бы электронного происхождения искривляются не туда, куда положено. Дело, разумеется, в том, что гамма-квант при взаимодействии с веществом может давать начало электрону и позитрону, которые в магнитном поле закручиваются в противоположных направлениях.

Скобельцин этого, естественно, не знал и объяснить странный эффект не смог, но в 1928 году доложил о нем на международной конференции в Кембридже. По занятному совпадению, годом ранее в совет кембриджского колледжа Св. Иоанна избрали молодого физика-теоретика Поля Дирака, чьи исследования со временем позволили объяснить эти аномалии и дали начало изучению антиматерии «вблизи».

Антиматерия, или антивещество – это вещество, которое состоит из античастиц. А античастицы – из атомов, которые, в свою очередь, «сделаны» из антипротонов, антинейтронов и позитронов, некогда бывших электронами. Единственное отличие таких частиц от «нормальных» заключается в противоположном электрическом и цветовом заряде. Они образуются вместе в ядрах галактик, но при столкновении превращаются в новые частицы, фотоны, которые и становятся фундаментом для «полотна» антиматерии.

На деле этот механизм устроен куда сложнее. Даже после открытия античастиц объяснить, как выглядит антиматерия и где она находится во Вселенной, невозможно. Научный мир ставит вполне логичный вопрос: если идея суперсимметрии верна, то количество и объем вещества и антивещества в космосе равно. Но в действительности галактики, планеты и даже мы состоим только из обычной материи. Куда же девается антивещество? Кроме того, нужно всегда помнить следующее: античастицы соединяются с частицами, вырабатывая энергию. Если бы в природе эти две субстанции были в равном объеме, скорее всего, нас бы ждал еще один Большой взрыв.

Приставка анти- используется в случае отражения противоположного процесса или объекта. Это можно применить и по отношению к антиматерии, или антивеществу – оно обладает теми же частицами, только противоположно заряженными. В то же время основные характеристики, такие, как масса и спин, остаются прежними. Во Вселенной эти античастицы возникают при взаимодействии с положительными частицами на огромной скорости. Они вырабатывают большое количество энергии и под силами «микровзрывов» превращаются в новые частицы – так получают антиматерию.

Антиматерия – та же материя, но наоборот. Астрономы предполагают, что первоначально антиматерии и материи во Вселенной было поровну. Но эта гипотеза уже противоречит устройству реальности: если частицы и античастицы столкнутся – вступят в аннигиляцию – они превратятся в энергию и уничтожат друг друга. Почему же произошел «перевес» обычной материи и куда исчезло антивещество – основной вопрос науки на сегодняшний день.

За последние 20 лет за сотню исследований удалось узнать два самых главных свойства антиматерии и барионной материи:

Вселенная состоит из обычной материи – барионной, из которой сделаны все мы, – темной материи и темной энергии. Темная материя – еще одно загадочное вещество во Вселенной. Ее никто не может увидеть – она не излучает и не поглощает свет, а также практически не взаимодействует с обычной материей. Но, как ни парадоксально, без нее не могла бы существовать Вселенная и мы сами. Предположительно, темная материя – порождение Большого взрыва. Видимой материи намного меньше, чем темной до 95%. Последняя обладает сильной гравитацией и поддерживает все космические объекты в пространстве благодаря сильной гравитации. Но как она связана с антиматерией?

Европейская организация по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в 2017 году провела ряд экспериментов, чтобы изучить связь между двумя самыми таинственными субстанциями Вселенной. Исследовательская группа поместила антипротоны в ловушку Пеннинга. Ученые поставили задачу «выровнять» спины этих античастиц – их интересовала средняя частота вращения антипротонов за большой промежуток времени на уровне от 0,1 до 0,6 электронвольтов. Если бы данное свойство не оказалось неизменным, можно было бы говорить о непосредственном участии антивещества в частицах темной материи – аксионов. К сожалению, эксперимент никакой связи не выявил.

Предположительно, в момент Большого взрыва наша Вселенная состояла из одинакового количества вещества и антивещества. Тем не менее сейчас обнаружить второе попросту невозможно. Куда оно делось и есть ли места, полностью заполненные антиматерией, науке на сегодняшний день неизвестно. Но ответ на вопрос, как получают антиматерию, все же есть. Она образуется и самостоятельно в верхних атмосферных слоях при взаимодействии космического излучения, или солнечных лучей с земными частицами.

Античастицы можно заполучить и в момент разряда молнии. Гаммы-кванты, образующиеся в грозовых облаках, аннигилируют – взаимодействуют с дальнейшим преобразованием в нечто новое – с нейтронами. В августе 2009 года ученые из университета Нью-Гемпшира во время полета обнаружили достаточно высокую активность прямо в небе: электромагнитное поле в облаке было настолько заряженным, что позитроны и электроны начали создавать антивещество. Каждый всплеск энергии длился меньше секунды и сопровождался вспышками фотонов, которые затухали, преодолев небольшое расстояние.

Но измерение антиматерии провести не удалось – это было опасно для жизни пилотов. Сегодня физики смогли научиться «добывать» антиматерию в ускорителях. В далеком 2001 году в ЦЕРНе ученые получили атом антиводорода – водорода, состоящего из антивещества. К 2010 году, благодаря ловушке Пеннинга, было создано 38 античастиц, которые просуществовали 0,2 секунды. Через год научное сообщество действовало увереннее: за 309 антипротонами можно было наблюдать около 17 минут.

Как получают антиматерию сегодня? В ЦЕРНе ученые разгоняют протоны и направляют эти всплески энергии в атомы различных металлов, которые при столкновении образуют новые античастицы. Получившиеся антипротоны «ловят» и используют в новых исследованиях. Занимается такой нелегкой работой Антипротонный замедлитель, который может также расщеплять античастицы, например, атом антиводорода. Удержать эти субстанции по-прежнему достаточно сложно, поскольку они не могут сохраниться в условиях обычной материи. Ловушка Пеннинга служит некоторым куполом, которая удерживает антивещество от столкновения с частицами и сохраняет им жизнь на некоторое время.

Измерения антиматерии начались в 1926 году, когда австриец Эрвин Шредингер сформулировал уравнение, описывающее поведение нерелятивистских частиц, подчиняющихся квантовой механике, – дифференциальное уравнение, решения которого определяют их состояния. Уравнение Шредингера описывало частицу, которая не имеет собственного углового импульса – спина (иначе говоря, не ведет себя как волчок). Однако в 1926 году уже было известно, что электроны обладают спином, который может иметь два различных значения: грубо говоря, ось электронного волчка ориентируется в пространстве лишь в двух противоположных направлениях (спустя год аналогичное доказательство было получено и для протонов).

Тогда же швейцарский теоретик Вольфганг Паули обобщил уравнение Шредингера для электрона, так чтобы оно позволяло учитывать спин. Таким образом, спин сперва открыли экспериментально, а потом искусственно навязали шредингеровскому уравнению. В релятивистской механике Эйнштейна формула для энергии свободной частицы выглядит сложнее, нежели в ньютоновской. Перевести эйнштейновскую формулу в квантовое уравнение несложно, это проделали и Шредингер, и трое его современников. Сами того не зная, они открыли античастицу.

Сегодня мы уже понимаем: антиматерия действительно существует. Но на тот момент решения шредингеровского уравнения были парадоксальны: они показывали, что вероятность нахождения частицы в определенной точке может оказаться отрицательной, что не имеет физического смысла. Возникали и другие неприятности, обусловленные тем, что математическая структура нового уравнения (его называют уравнением Клейна-Гордона) расходится с теорией относительности; на формальном языке оно не является релятивистски инвариантным. Вот над этой задачей в 1927 году и задумался Дирак. Для сохранения инвариантности он включил в уравнение не квадраты операторов энергии и импульса, а их первую степень. Чтобы записать уравнение в таком виде, пришлось изначально ввести в него более сложные, чем у Паули, матрицы размером 4х4.

У этого уравнения обнаружились четыре равноправных решения, причем в двух случаях энергия электрона положительна, а в двух – отрицательна. Тут-то и возникла загвоздка: а что это, если не антивещество? Первая пара решений интерпретировалась просто – это обычный электрон в каждом из возможных спиновых состояний. Если добавить в уравнение Дирака электромагнитное поле, то легко получится, что электрон обладает правильным магнитным моментом. Это был гигантский успех теории Дирака, которая без всяких дополнительных предположений наделила электрон и спином, и магнитным моментом.

Однако в первое время никто не мог решить, что делать с остальными решениями. И в ньютоновской, и в эйнштейновской механике энергия свободной частицы никогда не бывает отрицательной, и частицы с энергией меньше нуля, сегодня известные как античастицы, вызывали недоумение. К тому же было непонятно, почему обычные электроны не переходят в предсказанные теорией Дирака состояния с заведомо меньшей энергией, в то время как электроны в оболочках атомов такой возможности не упускают.

И тут мы приближаемся к разгадке, что такое антиматерия. Через два года Дирак нашел очень красивую интерпретацию парадоксальных решений. В соответствии с принципом Паули два электрона (как и любые частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одинаковом квантовом состоянии. По мысли Дирака, все состояния с отрицательной энергией в норме уже заполнены, а переход в эти состояния из зоны положительных энергий запрещен принципом Паули. Поэтому дираковское море электронов с отрицательной энергией в принципе ненаблюдаемо, но лишь до тех пор, пока в нем нет свободных вакансий.

Такую вакансию можно создать, если вышибить античастицу, то есть электрон с отрицательного энергетического уровня на положительный (например, достаточно мощным квантом электромагнитного излучения). Поскольку электронное море потеряет единицу отрицательного заряда, появившаяся вакансия – Дирак назвал ее дыркой – будет вести себя в электрическом поле как частица с плюсовым зарядом. По этой же логике падение электрона из нормального состояния в такую дырку ведет к исчезновению и электрона, и дырки, сопровождающемуся испусканием одного фотона.

А как проявляют себя дираковские дырки в реальном мире и действительно ли он говорил о том, что мы сейчас называем антиматерией? Сначала Дирак отождествлял античастицы с протонами, о чем в 1930 году и написал в Nature. Это было как минимум странно – протон в 2 тысячи раз тяжелее электрона. Будущий академик и нобелевский лауреат Игорь Тамм и будущий отец атомной бомбы Роберт Оппенгеймер выдвинули и более серьезное возражение, заметив, что тогда каждый атом водорода стоит перед угрозой исчезновения, а этого в природе не происходит. Дирак вскоре отказался от этой гипотезы и в сентябре 1931 года выступил со статьей, где предсказал, что дырки, если их удастся обнаружить, окажутся совершенно новыми частицами, неизвестными экспериментальной физике. Он предложил назвать эти античастицы антиэлектронами.

Дираковская модель ушла в историю после создания квантовой электродинамики и квантовой теории поля, которые приписывают частицам и античастицам одинаковую реальность. Из квантовой электродинамики следует также, что встреча свободного электрона с антиэлектроном влечет за собой рождение не менее пары квантов, так что в этой части модель попросту неверна. Как нередко бывает, уравнение Дирака оказалось много умнее интерпретации, предложенной его создателем.

Как уже было сказано, позитроны фактически наблюдал еще Дмитрий Скобельцин. В 1930 году с ними столкнулся аспирант Калифорнийского технологического института Чунг-Яо Чао, исследовавший прохождение гамма-квантов сквозь свинцовую фольгу. В этом эксперименте возникали электронно-позитронные пары, после чего новорожденные позитроны аннигилировали с электронами атомных оболочек и порождали вторичное гамма-излучение, которое и зарегистрировал Чао. Однако многие физики усомнились в результатах, и эта работа признания не получила, отодвинув открытие антивещества на некоторое время.

Руководителем Чао был президент Калтеха, нобелевский лауреат Роберт Милликен, который в те времена занимался космическими лучами (он и предложил этот термин). Милликен считал их потоком гамма-квантов и потому ожидал, что они будут расколачивать атомы на электроны и протоны (нейтрон открыли позже, в 1932 году). Милликен предложил проверить эту гипотезу Карлу Андерсону, другому своему аспиранту и к тому же приятелю Чао. Тот, подобно Скобельцину, решил воспользоваться камерой Вильсона, соединенной с очень мощным электромагнитом. Андерсон тоже получил треки заряженных античастиц, которые внешне не отличались от треков электронов, но были изогнуты в обратном направлении.

Сначала он приписал их электронам, которые движутся не сверху вниз, а снизу вверх. Для контроля он установил в центре камеры свинцовую пластинку толщиной 6 мм. Оказалось, что над пластиной величины импульсов частиц с треками электронного типа в два с лишним раза превышают эти показатели в нижней части камеры – отсюда следовало, что все частицы движутся сверху вниз. Этот же прием доказал, что античастицы, частицы с аномальной закруткой, не могут быть протонами – те бы застряли в свинцовом экране.

В конце концов Андерсон пришел к выводу, что почти все аномальные треки принадлежат каким-то легким частицам с положительным зарядом. Однако Милликен в это не поверил, а Андерсон без одобрения шефа не хотел публиковаться в научной печати. Поэтому он ограничился коротким письмом в популярный журнал Science News Letter и приложил к нему фотографию аномального трека – частицей антивещества. Согласившийся с интерпретацией Андерсона редактор предложил назвать такую новую частицу позитроном. Этот снимок был опубликован в декабре 1931 года.

Теперь вспомним, что Дирак обнародовал гипотезу о существовании антиэлектрона еще в сентябре. Однако и Андерсон, и Милликен почти ничего не знали о его теории элементов антиматерии и вряд ли понимали ее суть. Поэтому Андерсону не пришло в голову отождествить позитрон с дираковским антиэлектроном. Он еще долго пытался убедить Милликена в собственной правоте, но, так не достигнув успеха, в сентябре 1932 года опубликовал в журнале Science заметку о своих наблюдениях. Однако в этой работе речь идет все-таки не о двойнике электрона, а лишь о положительно заряженной частице неизвестного вида, масса которой много меньше массы протона.

Следующий шаг к идентификации античастицы сделали в месте его предсказания – в Кембридже. Английский физик Патрик Блэкетт и его итальянский коллега Джузеппе Оккиалини занимались исследованием космических лучей в знаменитой Кавендишской лаборатории, возглавляемой великим Резерфордом. Оккиалини предложил оснастить камеру Вильсона электронной схемой (придуманной его соотечественником Бруно Росси), включавшей камеру в случае одновременного срабатывания счетчиков Гейгера, один из которых был установлен над камерой, а другой – под ней.

К осени 1932 года партнеры получили около 700 фотографий треков, которые можно было приписать заряженным частицам космического происхождения. Среди них имелись и V-образные трековые пары, порожденные расходящимися в магнитном поле электронами и позитронами. Блэкетт знал о предсказанной Дираком античастице, электроне «наоборот», но не принимал его теорию всерьез. Сам Дирак тоже не разглядел своей гипотетической частицы на снимках Блэкетта.

В итоге Блэкетт и Оккиалини правильно интерпретировали свои фотоснимки антивещества лишь позднее, когда ознакомились с сентябрьской публикацией Андерсона. Свои выводы они представили в статье со скромным заголовком «Фотографии треков проникающей радиации», добравшейся до редакции журнала Proceedings of the Royal Society 7 февраля 1933 года. К этому времени Андерсон узнал о конкурентах из Кавендиша и вполне адекватно изложил свои результаты в четырехстраничной статье «Положительный электрон», которая поступила в журнал Physical Review 28 февраля.

Поскольку приоритет Андерсона был установлен предыдущими публикациями, он один и получил за открытие позитрона Нобелевскую премию в 1936 году, совместно с первооткрывателем космических лучей Виктором Гессом. Блэкетт был удостоен этой награды 12 годами позже с формулировкой «За усовершенствование методов наблюдений на камере Вильсона и за открытия в области ядерной физики и космической радиации», а вот Оккиалини премией обошли – считается, что по политическим соображениям. Хотя все их открытия и выдвинули сегодняшние исследования, где взять антиматерию, на новый уровень.

Вскоре исследования крошечного грамма антиматерии двинулись вперед семимильными шагами. Парижский физик Жан Тибо наблюдал электронно-позитронные пары земного происхождения, порожденные торможением в свинце гамма-квантов от радиоактивного источника. Он доказал, что у обеих частиц отношение заряда к массе по абсолютной величине совпадает с очень высокой точностью. В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри обнаружили, что позитроны возникают и при радиоактивном распаде. Так что к середине 30-х годов ХХ века существование предсказанных Дираком антиэлектронов превратилось в установленный факт.

Механизм порождения позитронов космическими лучами установлен давно. В основном первичное космическое излучение состоит из протонов с энергией более 1 ГэВ, которые при столкновениях с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы порождают пионы и прочие нестабильные частицы. Пионы дают начало новым распадам, в ходе которых появляются гамма-кванты, которые при торможении в веществе производят электронно-позитронные пары. Достаточно быстрые протоны при столкновении с атомными ядрами способны непосредственно порождать античастицы – антипротоны и антинейтроны.

В середине ХХ века физики уже не сомневались в возможности подобных превращений и искали их следы во вторичных космических лучах. Результаты некоторых наблюдений вроде бы можно было интерпретировать как аннигиляцию антипротонов, но без полной уверенности. Поэтому американские физики предложили проект сооружения протонного ускорителя на 6 ГэВ, на котором, согласно теории, было возможно получить оба типа антинуклонов. Эта машина, названная беватроном, была запущена в Лаборатории имени Лоуренса в Беркли в 1954 году. Спустя год Оуэн Чемберлен, Эмилио Сегре и их коллеги получили антипротоны, обстреливая протонами медную мишень. Еще через год другая группа физиков на той же установке зарегистрировала антинейтроны, еще одну частицу антиматерии.

В 1965 году в ЦЕРН и в Брукхейвенской национальной лаборатории были синтезированы ядра антидейтерия, сложенные из антипротона и антинейтрона. А вначале 1970-х из СССР пришло сообщение, что на 70-ГэВ протонном ускорителе Института физики высоких энергий синтезированы ядра антигелия-3 (два антипротона и антинейтрон) и антитрития (антипротон и два антинейтрона); в 2002 году несколько ядер легкого антигелия были получены и в ЦЕРН. Дальше дело пока не двинулось, так что синтез хотя бы одного ядра антизолота – дело неблизкого будущего. Возможно, вслед за этим появится и бомба из антиматерии, которая фигурирует в популярном романе «Ангелы и демоны» Дэна Брауна.

Ядра ядрами, но для настоящего антивещества требуются полноценные атомы. Простейший из них — атом антиводорода, антипротон плюс позитрон. Такие атомы были впервые созданы в ЦЕРН в 1995 году – через 40 лет после открытия антипротона. Вполне возможно, что это были первые атомы антиводорода за время существования нашей Вселенной после Большого взрыва – в природных условиях вероятность их рождения практически нулевая, а существование внеземных технологических цивилизаций все еще под вопросом.

Этот эксперимент по выявлению природы антиматерии был осуществлен под руководством немецкого физика Вальтера Олерта. В ЦЕРН тогда действовало накопительное кольцо LEAR, в котором хранились низкоэнергетические (всего-то 5,9 МэВ) антипротоны (оно проработало с 1984 по 1996 год). В эксперименте группы Олерта антипротоны направляли на струю ксенона. После столкновения антипротонов с ядрами этого газа возникали электронно-позитронные пары, и некоторые позитроны крайне редко (с частотой 10−17%!) объединялись с антипротонами в атомы антиводорода, движущиеся почти что со скоростью света. Незаряженные антиатомы больше не могли вращаться внутри кольца и вылетали по направлению к двум детекторам.

В первом приборе каждый антиатом ионизировался, и освобожденный позитрон аннигилировал с электроном, порождая пару гамма-квантов. Антипротон уходил во второй детектор, который до исчезновения этой частицы успевал определить ее заряд и скорость. Сопоставление данных с обоих детекторов показало, что в эксперименте было синтезировано не меньше 9 атомов античастиц водорода. Вскоре релятивистские атомы антиводорода были созданы и в Фермилабе.

С лета 2000 года в ЦЕРН действует новое кольцо AD (Antiproton Decelerator). В него поступают антипротоны с кинетической энергией 3,5 ГэВ, которые замедляются до энергии в 100 МэВ и затем используются в разнообразных экспериментах. Антивеществом там занялись группы ATHENA и ATRAP, которые в 2002 году стали разово получать десятки тысяч атомов антиводорода. Эти атомы возникают в особых электромагнитных бутылках (так называемых ловушках Пеннинга), где смешиваются поступающие из AD антипротоны и рождающиеся при распаде натрия-22 позитроны.

Правда, жизнь нейтральных антиатомов в такой ловушке измеряется всего лишь микросекундами (зато позитроны и антипротоны могут храниться там месяцами!). В настоящее время отрабатываются технологии более длительного хранения античастиц. В беседе с «ПМ» руководитель группы ATRAP (проект ATHENA уже завершен), профессор Гарвардского университета Джеральд Габриэлс подчеркнул, что, в отличие от LEAR, установка AD позволяет синтезировать относительно медленные (как говорят физики, холодные) атомы антиводорода, с которыми намного проще работать.

Сейчас ученые пытаются еще сильнее охладить антиатомы и перевести их позитроны на уровни с меньшей энергией. Если это получится, то появится возможность дольше удерживать антиатомы в силовых ловушках и определять их физические свойства (к примеру, спектральные характеристики). Эти показатели можно будет сопоставить со свойствами обычного водорода и понять наконец, чем антивещество отличается от вещества. Работы еще непочатый край.

Антиматерия – самое дорогое вещество на Земле. По данным CERN от 2001 года, чтобы произвести миллиардную долю грамма этой субстанции, потребовалось выделить более трех сотен миллиардов долларов. Сложно представить, сколько стоит сегодня 1 грамм антиматерии с условием того, что в год его производство не поднимается выше 10 нанограмм. К слову, деньги не уходят на ветер: антивещество не только изучается, но и применяется.

Например, позитроны содержатся в препарате, вводимом при ПЭТ – позитронно-эмиссионной томографии. При попадании в организм эти античастицы остывают и взаимодействуют с электронами пациента, чтобы позже образовать гаммы-кванты. Место, куда последние отправляются, и регистрирует детектор для дальнейшего лечения. Кроме того, сегодняшний эксперимент ACE направлен на изучение антипротонов для их дальнейшего использования в «выжигании» раковой опухоли. Это может стать более безопасным способом лечения рака: в таком случае доза облучения будет намного ниже.

Античастицы сегодня также используют для измерения пористости других веществ – льда или кристаллов. Позитроны попросту застревают в сплошной субстанции, соединяются друг с другом и образуют гамма-кванты. Если вещество обладает порами, то процесс аннигиляции затягивается – позитрон застревает. А вот создать из антиматерии бомбу, как в романе «Ангелы и демоны» Дэна Брауна, пока невозможно. Для этого необходимо создать большое количество антиматерии и дать антивеществу нужный для взрыва заряд. Но давайте посчитаем: один килограмм антивещества синтезирует энергию, в 1,5 раза меньше взрыва Царь-бомбы.