Физик Максим Хлопов о том, что такое антивещество, как и зачем его изучают

Ученые НИИ физики Южного федерального университета предложили концепцию, описывающую эволюцию больших областей антивещества во Вселенной с преобладанием вещества. Это позволит определить параметры, на которых основывается современная теория строения и эволюции Вселенной, и предсказать свойства небесных тел из антивещества — источников антигелия в космических лучах. Что собой представляют антимиры, существуют ли антизвезды и наши двойники, построенные из антивещества, и что будет, если мы захотим с ними познакомиться? Объясняет профессор Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, главный научный сотрудник НИИ физики Южного федерального университета Максим Хлопов.

Асимметричная вселенная

— Максим Юрьевич, чем вызвана необходимость теоретического обоснования такой концепции?

— Начнем с небольшого ликбеза. Наша жизнь подчиняется четырем фундаментальным силам природы: гравитация, определяющая движение небесных тел и падение предметов на Землю, электромагнитное взаимодействие, на законах которого основывается действие всех привычных приборов и средств связи, а также сильное и слабое ядерное взаимодействие, дающее основу ядерной энергетике. Законы этих взаимодействий проверены экспериментально с высокой точностью.

На самом фундаментальном уровне законы гравитации согласуются с предсказаниями Общей теории относительности Эйнштейна, а законы сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия находят основу в Стандартной модели сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия элементарных частиц.

Однако развитие теории элементарных частиц и науки о Вселенной — космологии — приводят к неизбежному выводу о существовании новых, еще неизвестных сил и законов природы, и именно эти скрытые от нас новые формы материи и ее взаимодействий определяют происхождение, эволюцию и структуру Вселенной как целого и образование всех форм наблюдаемого в ней вещества. Вопрос о происхождении наблюдаемого вещества во Вселенной и лежащих в его основе новых физических законов оказывается тесно связан с вопросом о существовании космических объектов антивещества.

— То есть где-то рядом есть антимиры?

— Именно так. В физике микромира все заряженные частицы имеют античастицы с электрическим зарядом, противоположным их собственному. Так, античастицей электрона, который имеет заряд –1, является позитрон с зарядом +1. Античастичный аналог имеют и обычные формы вещества. Например, в антимире ядро гелия состоит из антипротонов и антинейтронов вместо протонов и нейтронов.

При этом ядерные и электромагнитные свойства мира и антимира строго симметричны. Казалось бы, симметрия мира и антимира должна была бы приводить к их сосуществованию во Вселенной, но на их границе происходила бы аннигиляция вещества и антивещества, при которой половина их энергии покоя превращается в жесткое гамма-излучение. Измерения космического гамма-фона исключают сопоставимое количество вещества и антивещества во Вселенной.

— Современная космология приходит к утверждению о преобладании вещества над антивеществом. Но почему не наоборот?

— Мы называем веществом то, что состоит из элементарных частиц вещества, которые не аннигилируют при соприкосновении с нами или окружающими нас предметами. Отсюда мы можем сделать вывод, что макроскопических форм антивещества нет ни на Земле, ни в Солнечной системе, а используя данные о космическом гамма-излучении, можем сделать вывод о том, что во всей обозримой части Вселенной нет антивещества в количестве, сопоставимом с количеством вещества.

Так появляется понятие барионной асимметрии Вселенной, которую современная космология объясняет механизмом бариосинтеза — образованием избытка вещества в ранней Вселенной за счет отличия слабых и сверхслабых взаимодействий частиц и античастиц.

Тем не менее если бариосинтез сильно неоднороден, макроскопические области с избытком антивещества могут быть созданы в ходе того же процесса, в результате которого возникает избыток вещества во Вселенной.

Эта «экзотическая» возможность существования первичных объектов из антивещества в нашей Галактике была выявлена в космомикрофизических исследованиях, изучающих фундаментальную взаимосвязь микро- и макромира в комплексном сочетании ее физических, астрофизических и космологических проявлений.

— К каким же выводам вы пришли?

— Хотя результаты измерений космического гамма-фона исключают сосуществование сравнимого по количеству вещества и антивещества, эти данные допускают существование шарового скопления антизвезд в нашей Галактике. Может быть построена такая модель неоднородного бариосинтеза, которая предсказывает очень малую вероятность образования галактик из антивещества, но допускает существование шарового скопления антизвезд практически в каждой галактике. Такое шаровое скопление в нашей Галактике может быть источником ядер антигелия, доступных поиску в экспериментах по измерению потоков космических частиц.

В поисках антизвезд

— Есть ли экспериментальные работы, которые подтверждают подобного рода теоретические изыскания?

— Предсказание космических объектов антивещества в нашей Галактике как проявление эффектов новой физики дало теоретические основания и стимулировало поиск ядер антигелия в космических лучах в уникальном международном эксперименте AMS-02 на Международной космической станции по точному определению состава и спектра космических лучей. Особую роль в его экспериментальной установке играет магнитный спектрометр, который позволяет измерить не только массу и энергию заряженных частиц, но и знак их заряда, так как частицы с зарядом противоположного знака отклоняются в магнитном поле установки в разные стороны.

— Каковы результаты эксперимента?

— До сих пор считалось, что компонента антигелия не должна наблюдаться в космических лучах, поскольку ее ожидаемый поток от естественных астрофизических источников предсказывается в миллионы раз меньше, чем мог бы быть зарегистрирован в эксперименте AMS-02. Этот эксперимент уже открыл целый ряд новых явлений физики космических лучей.

Событие, отвечающее регистрации прохождения в установке ядра антигелия, имеет особое значение в ряду этих результатов. Руководитель эксперимента AMS-02 лауреат Нобелевской премии Сэмюэль Тинг показывал это событие на семинаре ЦЕРН еще в 2018 году, но в тот период не было ясно, отражает оно реальное прохождение ядра антигелия в установке или вызвано неправильной траекторией одного из зарегистрированных десятков миллионов ядер гелия.

Представляя последние результаты эксперимента AMS-02 на семинаре ЦЕРН 8 июня, Тинг снова показал это событие и исключил любую его фоновую интерпретацию. Тем самым было представлено первое указание на существование антизвезд в нашей Галактике.

— Что это за объекты? Можем ли мы их как-то увидеть, померить, изучить, отправить к ним космические аппараты или антиаппараты?

— Как я уже сказал, данные гамма-астрономии не исключают существования шарового скопления звезд антивещества в нашей Галактике. Эта гипотеза основывается на строгой симметрии атомных и ядерных свойств вещества и антивещества, что позволяет полагать полное сходство соответствующих астрофизических объектов. В этом случае звезды из антивещества должны выглядеть так же, как их обычные аналоги, и надо внимательно искать особенности, которые позволят избежать в галактических перелетах аннигиляции с антивеществом при попадании в такое шаровое скопление.

Однако условия эволюции вещества и антивещества во Вселенной с преобладанием вещества неодинаковы, и это может привести к совершенно иным формам звезд антивещества.

Именно в этой связи ряд видных отечественных ученых (Сергей Блинников, Александр Долгов, Константин Постнов и др.) рассматривает возможность сверхплотных объектов антивещества — антизвезд, состоящих из антикварков.

— Может ли антизвезда быть, например, размером с Солнце? А могут ли вокруг такой звезды вращаться антипланеты?

— При симметричной эволюции можно было бы ожидать полного подобия астрофизических объектов в антимире. Тогда там должны были бы быть и звезды, подобные Солнцу, антизвезды-гиганты или антинейтронные звезды. Тогда, казалось бы, почему бы там не могло бы быть антипланет, а до нас не долетали бы антиметеориты?

Однако вопрос оказывается значительно более сложным, поскольку в эволюции антивещества существенную роль играет ограниченный размер его области и невозможность получить извне продукты антизвездной эволюции. Химический состав вещества Солнечной системы существенно обогащен «прахом звезд» — продуктами термоядерного горения, выброшенными в Галактику при взрывах сверхновых звезд.

При взрыве антисверхновой такие продукты не остаются в области антивещества, а распространяются и аннигилируют с веществом Галактики. В таких условиях становится невозможным образовать не только планету антивещества, но даже молекулы, из которых могут состоять пылинки антивещества.

Взвесить антивещество

— Какова цель подобных исследований?

— Подтверждение присутствия ядер антигелия в космических лучах и тем самым существования небесных тел из антивещества в нашей Галактике позволит связать классы моделей физики, привлекаемые современной космологией для описания структуры и эволюции Вселенной с предсказанием форм макроскопического антивещества в Галактике, которые могли бы объяснить источник антигелия в космических лучах.

— Удалось ли посчитать, сколько антигелия во Вселенной?

— Гелий — второй после водорода по распространенности химический элемент вещества во Вселенной с весовой долей до 40%. Обилие гелия (25%) образуется в первые три минуты Большого взрыва и увеличивается (до 40 %) за счет продуктов термоядерного горения водорода в звездах. При симметричной эволюции то же можно ожидать и для антигелия в антимире.

Область антивещества не может содержать меньше, чем тысяча солнечных масс, чтобы не быть съеденной окружающим веществом.

С другой стороны, если масса антивещества в Галактике больше 100 тыс. масс Солнца, аннигиляция испускаемых этой областью античастиц приводила бы к галактическому гамма-фону, превышающему наблюдаемый. Так что в шаровом скоплении антивещества можно ожидать от 400 до 40 тыс. солнечных масс антигелия. Полагая долю антигелия космических лучей пропорциональной доле антивещества в Галактике, можно предсказать поток космических ядер антигелия, доступный регистрации в эксперименте AMS-02.

— Как удалось его обнаружить? Ведь спектр вещества аналогичен спектру антивещества.

— Конечно, спектр излучения атомов антигелия в точности совпадает с излучением гелия в веществе. Однако в эксперименте ищут не атомы, а ускоренные ядра антигелия. Их существование не вызывает сомнений, поскольку образование ядер антигелия было зарегистрировано на Большом адронном коллайдере. Однако в пересчете на условия Галактики образование такого «вторичного» антигелия, произведенного в астрофизических процессах, подобных тем, которые изучаются на коллайдере, не могло бы привести к космическому потоку, доступному регистрации в эксперименте AMS-02.

— Что может измениться в нашей картине мира, когда мы поймем, какое количество вещества и антивещества имеется во Вселенной?

— В контексте наших исследований подтверждение существования космического антигелия в эксперименте АМS-02 позволит определить с астрономической точностью параметры моделей новой физики, лежащих в основе современной теории Вселенной. Тем самым может быть сделан важный шаг к изучению новых физических законов и овладению возможностями их применения.

— Какие вы тут видите перспективы?

— Эксперимент AMS-02 уникален по уровню чувствительности к составу и спектру космических лучей, так что никакой другой эксперимент не может проверить его результаты. Это налагает высокую ответственность на его участников за публикуемые результаты, и они планируют провести дополнительные исследования в ближайшие годы, прежде чем официально объявят об открытии космического антигелия. Это время нужно использовать для всестороннего анализа ожидаемых результатов с целью решения проблем космомикрофизики.

Развивая эти исследования, мы разработали теорию эволюции структуры областей антивещества в окружении вещества.

Наша теория учитывает эволюцию областей антивещества и аннигиляцию с веществом, происходящую на их границах.

Хорошая теория — это лучшая практика

— Объясните популярно, что это значит.

— На основе этой теории можно изучать структуры указанных областей, включая области очень высокой и сверхвысокой плотности антивещества, а также выводить уравнения, описывающие их эволюцию в расширяющейся Вселенной. Была также разработана модель распространения антиядер от локального источника в магнитных полях Галактики с целью выделения оптимального диапазона энергий космических ядер антигелия для регистрации в эксперименте AMS-02.

Сочетание этих методов будет использоваться для разработки космологических сценариев, которые будут связывать процессы, происходящие в очень ранней Вселенной, с предсказанными формами и свойствами макроскопической компоненты антиматерии, присутствующей в нашей Галактике, и ожидаемых потоков космического антигелия, доступных регистрации в эксперименте AMS-02.

Наша работа нацелена на установление логической цепочки образования локальных областей антивещества в ранней Вселенной через их эволюцию в окружающем веществе и определение возможных форм небесных тел из антивещества в нашей Галактике — источников космического антигелия.

— Что подобные исследования могут дать в практическом смысле?

— Великий советский физик-теоретик Лев Давыдович Ландау говорил, что хорошая теория — это самая практическая вещь. Действительно, существование природного космического антивещества открыло бы новые источники энергии с чрезвычайно высоким КПД. Ведь при аннигиляции выделяется не малая доля энергии покоя вещества, как в атомных или ядерных процессах, а вся эта энергия. Это был абсолютно новый, в прямом смысле космический переворот в энергетике.

Но даже если использовать макроскопическое антивещество таким образом будет практически невозможно, подтверждение существования природных объектов антивещества во Вселенной с преобладанием вещества позволит существенно сузить классы возможных моделей новой физики, проливая свет на природу темного вещества и энергии, составляющих по современным представлениям 95% всего сущего.

Трудно себе даже представить практические результаты овладения этими новыми формами материи и их фундаментальными законами для развития человечества, его науки и культуры.

— А если пофантазировать? Сможем ли, например, мы туда отправиться и что с нами тогда будет?

— Когда полеты по просторам Галактики станут обыденным явлением, наверное, нужно будет ограничить области антимира специальными предупредительными буйками, чтобы мы в них не залетели и не погибли вместе с кораблем от аннигиляции с антивеществом.

— Существуют ли в этом мире наши антидвойники?

— Здесь можно твердо дать отрицательный ответ: мы продукт космологической эволюции вещества. Эволюция областей антимира во Вселенной с преобладанием вещества должна быть существенно иной и не могла бы никоим образом привести к нашему подобию.

— Двойники в антимире невозможны, ну а какая-то иная форма жизни?

— Органическая химия обычного вещества основывается на существовании углеводородов. Так что для подобных форм жизни нужны антиуглеводороды. Их образование, равно как химическая эволюция областей антимира во Вселенной с преобладанием вещества,— предмет наших исследований в ближайшие годы, в которых, надеюсь, мы сможем получить ответ и на этот вопрос.

Беседу вела Наталия Лескова