Вокруг Света - Вокруг Света 2006 №06
Фото Константина Коржавина
Ирина Травина
В поисках зеркального мира
Гипотеза о существовании «зеркальной материи» родилась еще полвека назад и не раз обосновывалась теоретически, однако найти ей какие-либо экспериментальные подтверждения пока не удалось. Что это за таинственная субстанция, будто бы состоящая из элементарных частиц, зеркально симметричных обычным? Игра воображения или нечто реально существующее, возникшее миллиарды лет назад одновременно с нашей, привычной, материей?
Разобраться во всех этих вопросах нам помог один из участников «зеркальной» дискуссии, доктор физико-математических наук Сергей Блинников. Объяснять он начал «от печки», потому что сама идея элементарных частиц, похожих на наши в зеркальном отражении, возникла в теоретической физике достаточно давно, когда ученые обнаружили, что до некоторых пор симметричная картина мира вдруг оказалась не совсем таковой — не хватало частиц, восстанавливающих симметрию процессов, связанных со слабым взаимодействием.
Левый марш
Первое слово в этой дискуссии сказали американские физики китайского происхождения Ли Цзундао и Янг Чжэньнин в середине 50-х годов XX века, которые предсказали эффект несохранения четности в слабых взаимодействиях. Годом позже группа Ву-Цзяньсюн экспериментально выяснила, что в поведении элементарных частиц есть какие-то необъяснимые предпочтения. Оказалось, что ориентированные ядра радиоактивного кобальта при распаде порождают электроны и нейтрино, почему-то асимметрично распределенные в пространстве. Больше того, все электроны и все нейтрино на лету вращаются в одну сторону — влево, то есть они «левозакрученные». А «правозакрученных» нет вообще! При этом выяснилось, что распад некоторых частиц (например, мезонов) и даже атомов приводит к образованию «осколков», которые всегда неравномерно распределены в пространстве. Да и вообще, мир, где действуют силы слабого взаимодействия, оказался асимметричным.
На физиков такое отклонение от привычной теории, которая предписывала инвариантность, то есть, грубо говоря, одинаковость всех законов в мире элементарных частиц при зеркальном отражении, произвело впечатление шокирующее. Похожее чувство мы, возможно, испытали бы, обнаружив, например, что по одной-единственной дороге, связывающей два города, машины едут только в одном направлении и никогда — в обратном!
Проанализировав экспериментальные данные, Ли и Янг предположили: если в нашей части Вселенной частицы «левозакрученные», то почему не может быть других — зеркальных частиц, таких же, как наши, но «правозакрученных». В итоге — вселенская симметрия не нарушается.
Очень ненадолго успокоить волнения среди физиков удалось Льву Ландау. Выдвинув теорию комбинированной четности (СP-симметрия), он предположил, что гипотетические зеркальные частицы — это античастицы (уже известные физикам). От обычных они отличаются знаком электрического заряда: у электрона в этом случае должен быть двойник — антиэлектрон, или позитрон, с элементарным зарядом плюс единица, как у протона. У антипротона, наоборот, — заряд минус единица. Антиатомы, как известно, состоят из антиэлектронов (позитронов), антипротонов и антинейтронов. При замене частиц на античастицы левоориентированные электроны превратятся в правоориентированные позитроны и симметрия в целом сохранится: частицы обычные распадаются с избытком электронов левой ориентации, а античастицы — с избытком электронов ориентации правой.
На самом деле «добывать» антиматерию в специальных установках — ускорителях — физики научились до «открытия» Ли Цзундао и Янг Чжэньнина. И несмотря на то что при встрече материи с антиматерией обе взаимно уничтожаются, уже удалось получить атомы и даже молекулы из антивещества. Можно предположить, что в скором времени станет возможной и «добыча» атомов антикобальта, которые будут распадаться симметрично нашим привычным атомам.
Одно из самых загадочных космических явлений, гигантские гамма-всплески, ученые пытаются объяснить и с помощью зеркальной материи. Зеркальные сверхновые звезды, внутри которых за время их жизни накопилось некоторое количество обычной материи, при своем взрыве основную часть энергии испускают в виде зеркальных нейтрино и фотонов, а содержащаяся в них обычная материя испускает короткий мощный импульс видимого гаммаи-злучения
1. Возможный вид раскаленного газа, оставшегося после взрыва сверхновой Wolf-Rayet
2. Отделение коллапсирующего железного ядра от газовых оболочек старой массивной звезды
3. Усиление магнитного поля коллапсирующей вращающейся звезды
4.Формирование джетов, мощных потоков заряженных частиц, способных излучать в том числе и гамма-кванты
5. Еще один возможный механизм формирования гамма-всплесков — ядерные взрывы накопившегося на поверхности белого карлика водорода
Удвоение мира
Однако идея комбинированной четности, как оказалось, была временным решением проблемы симметрии, с которой при слабых взаимодействиях оказалось все совсем не так гладко. В 1964 году на конференцию в подмосковную Дубну приехал молодой американский физик Джеймс Кронин, тогда еще не нобелевский лауреат, а простой PhD (что приблизительно соответствует степени кандидата наук), который рассказал о результате эксперимента, проведенного вместе с коллегами Вэлом Фитчем, Джеймсом Кристенсеном и Рэне Терли на ускорителе в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде. Для специалистов его сообщение о том, что частица под названием К sub 2 /sub 0-мезон иногда распадается не на три, а на два п-мезона, произвело впечатление разорвавшейся бомбы. Все это означало только одно — симметрии между частицами и античастицами не существует. Не вдаваясь в дебри физики элементарных частиц, скажем только, что похоже это было, пожалуй, на рассказ человека в здравом уме и твердой памяти о том, как, подойдя к зеркалу в синей варежке на правой руке, на левой руке своего зеркального двойника он обнаружил варежку красного цвета.
Получалось, что симметрия в мире элементарных частиц, казалось бы, восстановленная Ландау, вновь рушилась: такие распады в рамках теории этого ученого были запрещены. Античастицы ее не спасали — простая смена знака электрических зарядов частиц на противоположные не означала замены их поведения на зеркально симметричное. Неужели природа по непонятной причине левша? Как должна быть устроена Вселенная, чтобы в мире квантовых явлений симметрия все-таки сохранялась? Этот вопрос не давал покоя многим ученым, в том числе и трем московским физикам — Исааку Померанчуку, Льву Окуню и Игорю Кобзареву. Они предложили не только заменить частицы на античастицы, как советовал Ландау, но и удвоить количество частиц. Иными словами, кроме пары частица—античастица должны существовать еще и их зеркальные аналоги — зеркальная частица и зеркальная античастица.
