Сергей Парновский - Как работает Вселенная - Введение в современную космологию

Среди физиков существует общее убеждение, что все в мире должно быть симметричным, если не доказано иное. Таким образом, предполагается, что во Вселенной должно быть равное число частиц и античастиц. Действительно, когда рождаются элементарные частицы, они рождаются парами: рождение каждой частицы сопровождается рождением ее античастицы.

Почему Вселенная заполнена материей, а не материей пополам с антиматерией? В противном случае некоторые галактики состояли бы из материи, а некоторые – из антиматерии. По их излучению невозможно было бы различить, из чего они состоят, поскольку квант света, фотон, обладает уникальным свойством: его античастица совпадает с ним самим. Но между областями из материи и антиматерии должны существовать границы, на которых происходили бы процессы, которые наблюдали бы астрономы.

Если где-то в космосе встречаются частица и ее античастица, происходит аннигиляция [67] Аннигиляция — реакция между частицей и античастицей, превращающая их обоих в фотоны с чрезвычайно высокой энергией, равной суммарной энергии исходных частиц. , при которой обе эти частицы исчезают, а вместо них появляется два или три фотона. Простейшим примером аннигиляции является аннигиляция пары электрон-позитрон. Если их скорости существенно меньше скорости света, то энергия как электрона, так и позитрона будет равна примерно 500 кэВ. Соответственно, если происходит двухфотонная аннигиляция, то энергия каждого из фотонов также будет равна 500 кэВ.

Обнаружив излучение с такой энергией, мы понимаем, что видим результат аннигиляции. Источник подобного излучения зафиксирован, например, в центре нашей Галактики. Но излучение не слишком сильное, из чего видно, что позитроны в нашей Галактике встречаются очень редко. Если бы галактики из вещества и галактики из антивещества – «антигалактики» – встречались во Вселенной, то в области между ними соприкасались бы и аннигилировали межгалактический газ и пыль от галактики с «антигазом» и «антипылью» от «антигалактики». Но поскольку таких мощных источников, связанных с аннигиляцией, найти не удалось, приходится признать, что в видимой части Вселенной антивещество практически отсутствует.

В чем же причина этой асимметрии между частицами и античастицами? Почему первых много, а вторых мало? Неужели Вселенная образовалась так, что в ней было больше вещества, чем антивещества? Можно предложить другой ответ. Эксперименты на ускорителях показали, что в природе нет полной симметрии между частицами и античастицами. В частности, нарушается четность [68] Четность — это симметрия по отношению к инверсии всех пространственных координат, что эквивалентно зеркальному отражению. Нарушение четности было открыто Янг Чжэньнином и Ли Чжэндао, которые были удостоены за это Нобелевской премии по физике в 1957 г. В 1980 г. Джеймс Кронин и Вал Фитч получили Нобелевскую премию за открытие нарушения CP-инвариантности — преобразования, при котором помимо пространственной инверсии меняется знак всех электрических зарядов. Этот более сложный вариант симметрии называется комбинированной четностью. В настоящее время считается, что должна выполняться СРТ-симметрия, при которой к названным преобразованиям добавляется изменение направления течения времени. Из СРТ-симметрии и нарушения СР-инвариантности следует, что не существует никакой симметрии относительно обращения времени. Некоторые исследователи выдвигают гипотезу о нарушении CPT-инвариантности и связанном с этим явлении, называемом спонтанным бариогенезисом. при слабых взаимодействиях.

Даже если в момент образования Вселенной в ней не было ни частиц, ни античастиц, они вскоре появились в процессах образования пар частица – античастица при столкновении фотонов. Частицы и античастицы заполняли Вселенную. Они взаимодействовали друг с другом, образуя новые частицы. Но за счет нарушения четности число частиц и античастиц могло слегка отличаться. Предположим, что частиц было на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. При расширении и остывании Вселенной практически все античастицы проаннигилировали с частицами, а из оставшейся одной миллиардной части образовалась вся материя, которую мы можем наблюдать.

Андрей Сахаров выдвинул гипотезу о том, что обсуждаемая асимметрия могла возникнуть из-за сочетания трех факторов: нарушения СР-симметрии, несохранения барионного заряда (т. е. барион может распадаться на лептоны [69] Лептон — это легкая элементарная частица, которая не участвует в сильном взаимодействии. Наиболее известные лептоны — это электрон и различные сорта нейтрино. ), а также расширения Вселенной, которое препятствует установлению теплового равновесия.