Для человека естественно искать разгадки многочисленных тайн Вселенной. Например, – что собой представляют антимиры, существуют ли антизвёзды
и наши двойники, состоящие из антивещества, и что будет, если произойдёт наша с ними встреча?.. Найти ответы на эти вопросы должна помочь концепция, предложенная учёными НИИ физики Южного федерального университета и описывающая эволюцию больших областей антивещества во Вселенной с преобладанием вещества. Это, во‑первых, позволит определить основные параметры современной теории строения и эволюции Вселенной, а во‑вторых, – предсказать свойства небесных тел из антивещества в Галактике – источников антигелия в космических лучах. Об этом рассказывает профессор НИЯУ МИФИ, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник НИИ физики ЮФУ Максим ХЛОПОВ.
– Максим Юрьевич, почему вообще такая концепция нуждается в теоретическом обосновании?
– Начнём с небольшого ликбеза. Наша жизнь подчиняется четырём фундаментальным силам природы: гравитации, определяющей движение небесных тел и падение предметов не Землю, электромагнитному взаимодействию, на законах которого основывается действие всех привычных приборов и средств связи, а также сильному и слабому ядерному взаимодействию, составляющему основу ядерной энергетики.
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 – приводит к неизбежному выводу о существовании новых, ещё не известных сил и законов природы, и именно эти скрытые от нас новые формы материи и её 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 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 превращалась бы в жёсткое 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, приходим к тому, 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 счёт 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 её 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 антизвёзд в нашей Галактике. Может быть построена такая модель неоднородного бариосинтеза, которая предсказывает очень малую вероятность образования галактик из антивещества, но допускает существование шарового скопления антизвёзд практически в каждой галактике. Такое шаровое скопление в нашей Галактике может быть источником ядер антигелия, доступных поиску в экспериментах по измерению потоков космических частиц.
– 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 (Alpha Magnetic Spectrometer) 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 её 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 ещё в 2018 году, но в тот период не было ясно, отражает ли оно реальное прохождение ядра антигелия в установке или вызвано неправильной траекторией одного из десятков миллионов зарегистрированных ядер гелия.
Представляя последние результаты эксперимента AMS 02 на семинаре ЦЕРН 8 июня 2023 года, Тинг снова показал это событие и исключил любую его фоновую интерпретацию. Тем самым было представлено первое указание на существование антизвёзд в нашей Галактике.
– Что это за объекты? Можем ли мы их как-то увидеть, измерить, изучить, отправить к ним космические аппараты (или анти-аппараты)?
– Как я уже сказал, данные гамма-астрономии не исключают существования шарового скопления звёзд 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 звёзды из антивещества должны выглядеть так же, как их обычные аналоги, и надо внимательно искать особенности, которые позволят избежать в галактических перелётах 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 звёзд антивещества. Именно в этой связи ряд видных отечественных учёных (С. И. Блинников, А. Д. Долгов, К. А. Постнов и др.) рассматривают возможность сверхплотных объектов антивещества – антизвёзд, 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 звёзды, подобные Солнцу, антизвёзды-гиганты или антинейтронные звёзды. Тогда, казалось бы, почему бы там не могло 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 антизвёздной эволюции. Химический состав вещества Солнечной системы существенно обогащён «прахом звёзд» – продуктами термоядерного горения, выброшенными в Галактику при взрывах Сверхновых звёзд.
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.
– Какова цель подобных исследований?
– Подтверждение присутствия ядер антигелия в космических лучах и, значит, 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 распространённости химический элемент вещества во Вселенной с весовой долей до 40 процентов. Обилие гелия (25 процентов) образуется в первые три минуты Большого взрыва и увеличивается (до 40 процентов) за счёт продуктов термоядерного горения водорода в звёздах. При симметричной эволюции того же можно ожидать и для антигелия в антимире. Область антивещества не может содержать меньше, чем тысячу солнечных масс, чтобы не быть «съеденной» окружающим веществом.
С другой стороны, если масса антивещества в Галактике больше 100 тысяч 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 тысяч 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 пересчёте на условия Галактики образование такого «вторичного» антигелия, произведённого 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 поймём, 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 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.
– 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. Результаты исследования позволят связать классы моделей новой 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.
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 Давидович 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 бы 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 тёмного вещества и энергии, составляющих, по современным представлениям, 95 процентов 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 полёты 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 кораблём от аннигиляции с антивеществом.
– Существуют ли в этом мире наши антидвойники?
– Здесь можно твёрдо 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.
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА
Источник: «НиР» № 2, 2024