(о веществе и антивеществе)

Существование антивещества для кого-то — лишь тема научно-фантастических романов, а для физиков — это серьезный вопрос, будоражащий их умы. Почему антивещества практически больше нет в нашем мире? В момент Большого взрыва вещество и антивещество возникли в равных количествах, однако сегодня мы, кажется, живем во Вселенной, состоящей целиком из вещества. Куда же делось антивещество?

Когда встречаются вещество и антивещество, происходит их взаимоуничтожение — аннигиляция, не оставляя после себя ничего, кроме энергии. Поэтому кажется странным, что вообще еще что-то осталось. Возможно, в космосе существуют целые области, заполненные только антивеществом, и даже планируются эксперименты по его поиску.

Большинство же ученых полагает, что существует некоторая, трудно уловимая разница в способах существования вещества и антивещества в природе, благодаря которой очень небольшая часть вещества осталась нетронутой, из нее и создана Вселенная, в которой мы обитаем. Если это так, то достаточно было всего одного, оставшегося нетронутым, протона на каждый миллиард исчезнувших в результате аннигиляции с антипротоном.

В 1966 году академик А.Д. Сахаров выделил три необходимых условия для возникновения неоспоримого дисбаланса вещества и антивещества. Первое условие говорит о том, что протоны должны распадаться, но так медленно, что за всю историю Земли из всех протонов на ней должно было распасться по объему немногим более крошки. Второе условие является ограничением возможных способов охлаждения Вселенной после "Большого взрыва". Третье — определяет разницу между веществом и антивеществом. С тех пор одной из задач экспериментов было и остается измерить эту разницу. Цель эксперимента LHCb — найти ответ на этот вопрос.

Детектор LHCb — специализированный прибор, сконструированный с единственной, уже описанной, целью. Поэтому он менее сложен, чем большие детекторы проекта БАК, такие как ATLAS и CMS, предназначенные для решения глобальных задач. Это позволяет сконцентрировать усилия разработчиков на создании наиболее совершенного детектора для так называемой физики В-мезонов, при распаде которых наиболее ярко проявляется асимметрия между веществом и антивеществом. В сооружении этого детектора принимают участие 565 физиков из 47 институтов 15 стран.

Возьмем мысленно частицу и заместим ее античастицей, посмотрим в зеркало и поменяем направление времени. Подвергнув этим манипуляциям любые взаимодействия частиц, мы должны получить результат, неотличимый от оригинала. Основанная на этом факте теория, называется СРТ-симметрией, где буквы С, Р и Т обозначают симметрии взаимодействий частиц: С — зарядовое сопряжение — осуществляет замещение частицы ее двойником, античастицей. Р — четность, или пространственная инверсия, соответствует зеркальному отображению, в котором перевернуты все три координаты; это, как если бы отражение в зеркале не только было повернуто задом наперед, но также меняло местами лево и право, верх и низ, соответственно. Последняя характеристика Т — обращение времени.

Сначала физики полагали, что при проведении симметричного преобразования любого взаимодействия между частицами результат будет неизменен, симметрия сохраняется. Однако экспериментальные исследования показали, что при слабых взаимодействиях происходит нарушение как Р-, так и С- симметрии.

Немного позже выяснилось, что и сочетание С- и Р-симметрий не сохраняется. Это нарушение СР-инвариантности впервые было обнаружено при распаде частиц, названных нейтральными каонами в БНЛ. Это было подтверждением третьего условия Сахарова, который определил, что нарушение СР-инвариантности необходимо для возникновения дисбаланса вещества и антивещества.

Измерить нарушение СР-инвариантности не так просто. Вернемся к аналогии с зеркалом. Представьте, что вы тысячу раз машете себе в зеркало рукой и только один раз ловите, что ваше отображение отвечает вам другой рукой, — это можно сравнить, при некотором воображении, с нарушением СР-инвариантности.

Стандартная модель может быть расширена за счет включения понятия СР-инвариантности, но она не объясняет этого явления. Существует даже предположение, что знание степени нарушения СР-инвариантности, согласованное с теорией Стандартной модели, недостаточно для расчетов дисбаланса вещество-антивещество. На эксперимент LHCb возложено немало надежд. Он позволил бы не только объяснить, почему после "Большого взрыва" осталось достаточно вещества, чтобы наша Вселенная могла возникнуть, но и открыть новое направление в физике.

Изучение нарушения СР-инвариантности при распаде В-мезонов проводится в экспериментальных лабораториях Германии, США и Японии. Эксперимент LHCb будут проводить несколько позже, но именно здесь физика В-мезонов достигнет своего апогея. Экстремально высокая энергия ускорителя БАК позволит эксперименту LHCb измерить гораздо больше распадов В-мезонов с нарушением СР-инвариантности, чем предыдущие эксперименты. Тем самым Стандартная модель пройдет доскональную проверку, и появится объяснение того, почему природа предпочла вещество в этом грандиозном споре.

НИИЯФ МГУ