Диалектика в науке: материя и антиматерия

Материя и антиматерия оказались совершенными зеркальными отражениями друг друга, если мы поверим заявлениям ученых, которые провели эксперименты беспрецедентной точности, еще больше усугубив загадку неравенства вещества и антивещества во Вселенной.

Любая материя состоит из протонов, нейтронов или электронов. Эти частицы имеют аналоги, известные как античастицы — антипротоны, антинейтроны и позитроны, соответственно — которые обладают той же массой, но имеют противоположный электрический заряд. (Хотя нейтроны и антинейтроны обладают нейтральным зарядом, каждый из них состоит из кварков, которые обладают дробными электрическими зарядами, и заряды этих кварков равны и противоположны в нейтронах и антинейтронах).

Известная вселенная состоит из обычной материи. Глубокой тайной остается то, почему Вселенная не состоит из равных частей вещества и антивещества, поскольку в процессе Большого Взрыва, как полагают, который породил вселенную 13,7 миллиарда лет назад, образовались равные количества обоих. И если материя и антиматерия оказываются зеркальными отражениями друг друга во всех отношениях, не должно было остаться вообще никакой материи — вещество и антивещество аннигилируют, сталкиваясь друг с другом.
Проверка зарядовой четности

Физики-теоретики подозревают, что необычный контраст между количеством вещества и антивещества во Вселенной, технически известный как барионная асимметрия, может быть из-за какой-то разницы между свойствами материи и антиматерии, формально известной как CP-нарушение симметрии, где C — заряд, а P — четность. Тем не менее все известные эффекты, которые приводят к нарушения в CP-симметрии, не могут объяснить подавляющее преобладание материи над антиматерией.

Возможное объяснение этой загадки может скрываться в различных свойствах материи и антиматерии — например, возможно, антипротоны распадаются быстрее протонов. Если такие различия будут обнаружены, даже самые незначительные, «это, безусловно, приведет к драматическим последствиям для нашего современного понимания фундаментальных законов физики», говорит ведущий автор исследования Стефан Ульмер, физик частиц из Японского института физических и химических исследований (RIKEN).

Проводя строгие испытания в поисках различий между протонами и антипротонами, ученые исследовали соотношение количества электрического заряда к массе примерно в 6500 парах частиц в течение 35-дневного периода. Чтобы препятствовать контакту материи и антиматерии, ученые поместили протоны и антипротоны в ловушки магнитных полей. Затем измерили, как эти частицы циклично движутся в этих полях, циклотронную частоту, которая пропорциональна соотношению заряда к массе этих частиц и силе магнитных полей.

Технически ученые не использовали обычные протоны в экспериментах, а взяли отрицательные ионы водорода, которые состоят из протона, окруженного двумя электронами. Это было проделано для упрощения эксперимента — антипротоны и отрицательные ионы водорода заряжены отрицательно, а значит одинаково реагируют на магнитные поля. Ученые с легкостью смогли учесть влияние электронов в процессе экспериментов.
Идеальные отражения

Ученые обнаружили, что отношение заряда к массе у протонов и антипротонов «идентично с точностью до 69 частей на триллион», заявил Ульмер. Это измерение в четыре раза лучше, чем предыдущие измерения этого показателя.

Кроме того, ученые также обнаружили, что измеренные отношения заряда к массе изменяются не больше чем на 720 частей на триллион в день, по мере вращения Земли вокруг своей оси и Солнца. Это говорит о том, что протоны и антипротоны ведут себя точно так же с течением времени, когда проносятся через пространство с одной скоростью, а значит, не нарушают так называемую СРТ-симметрию, где T означает время.

СРТ-симметрия — ключевой компонент Стандартной модели физики элементарных частиц, лучшего описания на сегодняшний день того, как ведут себя элементарные частицы, составляющие Вселенную. Не существует известных нарушений СРТ-симметрии. Опять же, любое обнаруженное нарушение СРТ-симметрии окажет огромное влияние на наше понимание природы.

Кроме того, эти отношения заряда к массе не будут отличаться больше, чем на 870 частей на миллиард в гравитационном поле Земли. Это означает, что слабый принцип эквивалентности, согласно которому вся материя падает с одинаковой скоростью в одном гравитационном поле, также сохраняется на этом уровне точности. Слабый принцип эквивалентности является ключевой частью общей теории относительности Эйнштейна, которая, наряду с другими вещами, остается лучшим объяснением того, как работает гравитация. Не существует известных нарушений слабого принципа эквивалентности, любые обнаруженные нарушения также могут привести к революции в понимании природы пространства-времени и гравитации, а также их влияния на материю и энергию.

Используя более стабильные магнитные поля и другие подходы, ученые планируют провести в 10 раз более точные измерения, говорит Ульмер. Работа ученых была опубликована в журнале Nature 13 августа.