Republic - Антивещество из темных мест. Что значит антигелий, найденный в космосе?
nopaywall
3 мая 2017 г. Борислав Козловский.
Раз в год установка на МКС ловит ядро антигелия. Что это такое?
На борту Международной космической станции вот уже шесть лет проходит эксперимент ценой полтора миллиарда долларов: установка под названием AMS опознает частицы, прилетевшие из космоса, дальнего или ближнего. И вот теперь сайт журнала Science приводит слова 81-летнего нобелевского лауреата Сэмюэла Тинга, автора и вдохновителя эксперимента: раз в год эта установка ловит ядро антигелия – атома из мира антивещества.
Сейчас, когда насчитали пять таких событий, нобелевский лауреат посчитал возможным дважды за последние несколько месяцев выступить на эту тему перед другими физиками: в швейцарском CERN, лаборатории при Большом адронном коллайдере, и в MIT, Массачусетском технологическом институте – наверное, самом авторитетном американском университете, где занимаются наукой. При этом официального объявления об открытии и обязательной в таких случаях публикации отчета в научном журнале так до сих пор и не было.
Почему эти пять антиатомов должны нас интересовать? Потому что это, кажется, самый осязаемый след «темной материи» – основного строительного материала космоса, который ученым еще ни разу не приходилось держать в руках.
Вообще-то «темная материя» и антиматерия – принципиально разные вещи, между которыми есть неочевидная связь. Начать стоит с антивещества, про которое еще в 1960-е писали стихи. Мы сделаны из элементарных частиц, про которые физики знают, что для каждой из них можно придумать зеркальную копию – античастицу. У нее будут точно такие же характеристики вроде массы или спина, но противоположный заряд: если у электрона минус, то у антиэлектрона плюс. Самое знаменитое свойство антивещества – способность взаимоуничтожаться, то есть аннигилировать с обычным веществом, производя бешеные количества энергии: на взрыв, эквивалентный хиросимской бомбе, хватило бы 350 миллиграммов.
Одна проблема: антивещества почему-то нигде в космосе нет. Из него можно было бы в принципе сделать точную копию нашей планеты, и никакие законы природы не запрещают существование гигантских галактик из антиматерии, неотличимых на вид от обычных галактик на фото Hubble. Но поскольку такие объекты невозможно подвесить в абсолютном вакууме и изолировать от всей остальной Вселенной, то где-то на границе антивещество неизбежно соприкасалось бы с веществом, и от их аннигиляции распространялись бы жесткие гамма-лучи во все стороны. Однако телескопы на Земле и на орбите ничего такого не видят. Единственное правдоподобное объяснение – что все способное аннигилировать давно уже аннигилировало. А весь наблюдаемый мир – что-то типа остатка от процесса взаимного уничтожения: просто в первые минуты после Большого взрыва вещества было чуть больше, чем антивещества, и это «чуть» – все, что уцелело.
Нет ли где-нибудь во Вселенной тайного оазиса, где антивещество все-таки сохранилось с древнейших времен? Когда космический детектор частиц только задумали, его главной целью и было искать такие оазисы. Можно вообразить, что в гамма-лучах мы чего-нибудь не видим, но если антигалактики во Вселенной все-таки есть, то внутри их просто обязаны идти процессы, которые расшвыривают немного антивещества во все стороны. И что-нибудь просто обязано долететь до Земли.
Так рассуждал в 1990-е автор эксперимента AMS Сэм Тинг – американский физик родом из Китая, который получил свою Нобелевскую премию в сорокалетнем возрасте за открытую им в середине 1970-х элементарную частицу J/ψ. Обычно частицы называют какой-нибудь одной буквой, латинской или греческой, но тут ее пришлось называть через дробь, потому что две группы объявили о своих открытиях день в день. Первооткрыватели, Тинг из MIT и Бертон Рихтер из Стэнфорда, разделили премию на двоих.
На Земле частицы антивещества, прилетевшие из космоса, искать бессмысленно – они не переживут путешествие сквозь атмосферу. В лекции, которую Тинг прочел в 2016 году, он объясняет: «Мы живем под десятиметровым слоем воды», имея в виду, что если весь воздух над головой спрессовать до плотности воды в океане, то примерно столько и получится. Поэтому ловить античастицы следует не под атмосферой, а над – то есть в космосе.
В 1995 году Тинг убедил NASA отправить на орбиту тяжелый детектор частиц со сверхпроводящим магнитом – уменьшенную копию тех детекторов, которые смонтированы внутри Большого адронного коллайдера и других гигантских ускорителей. Собственно, будущий космический спектрометр испытывали как раз внутри туннеля Большого адронного коллайдера, который имеет десятки километров в длину и пересекает под землей границу Франции с Швейцарией. Эта конструкция весом 8,5 тонны должна была полететь на орбиту еще в 2003 году. Но из-за взрыва шаттла «Колумбия» в 2003-м был многолетний перерыв в программе полетов, и научный прибор надолго застрял на Земле. А когда он все-таки полетел в 2011 году, у астрономов уже успели измениться представления о том, что стоит искать в первую очередь.
Если антивещества в космосе мало, то темной материи, наоборот, много – в шесть раз больше, чем обычного вещества: 84,5% всей массы во Вселенной – это темная материя. Но «много» не значит, что ученые ее видели или хотя бы имеют представление, из чего она сделана. Прежде всего, она невидима, не взаимодействует ни со светом, ни с веществом – эти качества буквально означают, что она могла бы свободно проходить сквозь стены, никак не давая нам об этом знать.
Есть подозрения, что она могла бы состоять из гипотетических частиц нейтралино. При аннигиляции они должны порождать в том числе и античастицы – антипротоны и антинейтроны. А это и есть материал антиядер вроде антигелия, который увидел AMS.
Для самих антипротонов у ученых есть прогноз, как часто должны прилетать из космоса частицы с той или иной энергией, если их порождают процессы «обычные», связанные с уже изученной физикой, или, наоборот, необычные. На прошлогодней получасовой лекции в немецком Линдау, куда съезжаются десятки нобелевских лауреатов, Сэм Тинг показывал графики 2015 года, из которых уже было ясно, что необычный сценарий (с темной материей) – самый вероятный. История с антигелием могла бы повысить его статус до «почти единственно возможного», если бы ученые были уверены на все сто, что имеют дело именно с антигелием, а не с какой-нибудь глубоко спрятанной ошибкой измерения. Несколько лет назад такая ошибка похоронила уже объявленное открытие «гравитационных волн Большого взрыва», поэтому ученые так часто перестраховываются и не спешат публиковать результаты.
За шесть лет в космосе AMS успела зарегистрировать более 90 млрд частиц, среди которых всего пять ядер антигелия (или, точнее, чего-то похожего на антигелий). Правда ли, что для статистики это вызывающе мало? Антигелий – ядро с двумя антипротонами и двумя антинейтронами – только в 2011 году смогли получить в лабораторных условиях на Земле, и в том эксперименте речь шла про 18 атомов. Но эксперименты с таким невысоким выходом уже однажды принесли Сэму Тингу Нобелевскую премию: в лекции, прочитанной после церемонии вручения медалей в Стокгольме 41 год назад, онвспоминал, что ему приходилось иметь дело со столкновениями частиц в коллайдере, где на миллиарды и миллиарды бесполезных столкновений приходится одно полезное в сутки.
Не исключено, что еще одна Нобелевская премия у Сэма Тинга впереди: в принципе у физиков так бывает. Другое дело, что сейчас на кону еще одна, более конкретная цель. AMS – сложный прибор, которому время от времени нужен уход и сервис. У него сломались три из четырех криогенных насосов, которые охлаждают детектор частиц почти до абсолютного нуля. Следующая поломка положит конец поискам антиматерии, темного вещества и, само собой, надеждам на следующую Нобелевку. Как раз в апреле стало ясно, что NASA не против заказать астронавтам, которые сейчас работают на МКС, выход в открытый космос для ремонта прибора. Антигелий был бы сильным аргументом в пользу того, что от такого ремонта пользы больше, чем расходов, – и вот тут вовремя найденные пять антиатомов были бы как нельзя кстати.
Читайте ещё больше платных статей бесплатно: https://t.me/nopaywall