Рекордное открытие антиматерии может помочь нам найти темную материю
В ходе экспериментов в Брукхейвенской национальной лаборатории в США международная группа физиков обнаружила самое тяжелое «антиядро», когда-либо виденное. Крошечные, недолговечные объекты состоят из экзотических частиц антивещества.
Измерения частоты образования этих объектов и их свойств подтверждают наше нынешнее понимание природы антивещества и помогут в поисках другого загадочный вид частиц – темная материя – в глубоком космосе.
Результаты опубликованы сегодня в журнале Nature.
Недостающий зеркальный мир
Идея антивещества заключается в следующем. ему менее столетия. В 1928 году британский физик Поль Дирак разработал очень точную теорию поведения электронов, которая сделала тревожное предсказание: существование электронов с отрицательной энергией, что сделало бы невозможной стабильную Вселенную, в которой мы живем.
К счастью, ученые нашли альтернативное объяснение этих состояний «отрицательной энергии»: антиэлектроны или двойники электрона с противоположным электрическим зарядом. Антиэлектроны были обнаружены в ходе экспериментов в 1932 году, и с тех пор ученые обнаружили, что все фундаментальные частицы имеют свои собственные эквиваленты антивещества.
Однако здесь возникает другой вопрос. Антиэлектроны, антипротоны и антинейтроны должны быть способны объединяться, образуя целые антиатомы, а также антипланеты и антигалактики. Более того, наши теории Большого взрыва предполагают, что в начале Вселенной должно было быть создано равное количество материи и антиматерии.
Но куда бы мы ни посмотрели, мы видим материю – и лишь незначительное количество антиматерии. Куда пропала антиматерия? Этот вопрос беспокоит ученых уже почти столетие.
Фрагменты разбитых атомов
Сегодняшние результаты получены в ходе эксперимента STAR, расположенного на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории. в США.
Эксперимент заключается в столкновении ядер тяжелых элементов, таких как уран, друг с другом на чрезвычайно высокой скорости. Эти столкновения создают крошечные, интенсивные огненные шары, которые на короткое время повторяют условия Вселенной в первые несколько миллисекунд после Большого взрыва.
Каждое столкновение порождает сотни новых частиц, и эксперимент STAR может обнаружить их все. Большинство из этих частиц представляют собой недолговечные нестабильные образования, называемые пионами, но время от времени появляется что-то более интересное.
В детекторе STAR частицы проносятся сквозь большой контейнер, полный газа внутри магнитного поля – и оставлять за собой видимые следы. Измерив «толщину» следов и то, насколько они изгибаются в магнитном поле, ученые могут определить, какая частица создала их.
Материя и антиматерия имеют противоположный заряд, поэтому их пути будут изгибаться. в противоположных направлениях в магнитном поле.
‘Антигиперводород’
В природе ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Однако мы также можем создать нечто, называемое «гиперядро», в котором один из нейтронов заменен гипероном – немного более тяжелой версией нейтрона.
В эксперименте STAR они обнаружили гиперядро. состоит из антиматерии или антигиперядра. Фактически, это было самое тяжелое и экзотическое ядро антивещества, которое когда-либо наблюдалось.
Если говорить конкретно, оно состоит из одного антипротона, двух антинейтронов и антигиперона и носит название антигиперводород-4. Среди миллиардов произведенных пионов исследователи STAR идентифицировали только 16 ядер антигиперводорода-4.
Результаты подтверждают предсказания
В новой статье сравниваются эти новые и самые тяжелые антиядра, а также множество других более легких антиядер с их аналогами в обычной материи. Все гиперядра нестабильны и распадаются примерно через десятую долю наносекунды.
Сравнивая гиперядра с соответствующими им антигиперядрами, мы видим, что они имеют одинаковое время жизни и массы – именно этого и следовало ожидать от теории Дирака. .
Существующие теории также хорошо предсказывают, что более легкие антигиперядра производятся чаще, а более тяжелые – реже.
Теневой мир тоже?
Антиматерия также имеет удивительные связи с другим экзотическим веществом – темной материей. Из наблюдений мы знаем, что темная материя пронизывает Вселенную и в пять раз более распространена, чем обычная материя, но нам никогда не удавалось обнаружить ее напрямую.
Некоторые теории темной материи предсказывают, что если две частицы темной материи Столкнувшись, они аннигилируют друг друга и производят взрыв частиц материи и антиматерии. Тогда это приведет к образованию антиводорода и антигелия – и эксперимент под названием «Альфа-магнитный спектрометр» на борту Международной космической станции ищет его.
Если бы мы действительно наблюдали антигелий в космосе, как бы мы узнали, был ли это так? произведено темной материей или обычной материей? Что ж, измерения, подобные этому новому от STAR, позволяют нам откалибровать наши теоретические модели на предмет того, сколько антиматерии образуется при столкновениях обычной материи. Эта последняя статья предоставляет множество данных для такого типа калибровки.
Основные вопросы остаются
За последнее столетие мы многое узнали об антивеществе. Однако мы все еще не приблизились к ответу на вопрос, почему мы видим ее так мало во Вселенной.
Эксперимент STAR далеко не единственный в стремлении понять природу антиматерии и откуда она вся шел. Работа над такими экспериментами, как LHCb и «Алиса» на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, улучшит наше понимание за счет поиска признаков различий в поведении материи и антиматерии.
Возможно, к 2032 году, когда исполнится столетие со дня первого открытия. антиматерии, мы добьемся некоторых успехов в понимании места этой любопытной зеркальной материи во Вселенной – и даже узнаем, как она связана с загадкой темной материи.
Ульрик Эгеде, профессор физики, Университет Монаша
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.
