Почему во Вселенной было больше материи, чем антиматерии? Ответ, по мнению физиков, может скрываться в частицах нейтрино
Наша крохотная голубая планета, как известно, вращается вокруг Солнца, которое, в свою очередь, движется со скоростью около 220-250 километров в секунду вокруг галактического центра – сверхмассивной черной дыры Sagittarius A*. За пределами нашей Галактики находятся звездные системы – они кажутся нам отсюда, с Земли, крохотными туманными пятнышками. Если двигаться все дальше и дальше от Млечного Пути, за пределы наблюдаемой Вселенной, мы увидим войды и галактические нити, что составляют космическую паутину. Наша Вселенная изумительна – она порождает больше вопросов, чем ответов, позволяя нам строить самые разные предположения о ее устройстве. Но что мы действительно знаем о ней? По крайней мере о той ее части, что ученые называют наблюдаемой Вселенной? Если законы физики симметричны, как мы думаем, то Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в одинаковом количестве. Но почему, в таком случае, ученые наблюдают обратную картину?
Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии в ранней Вселенной. Но сегодня все, что мы видим, от мельчайших форм жизни на Земле до крупнейших звездных объектов, почти полностью состоит из материи. А вот обнаружить антиматерию невероятно трудно. Более того, одна из величайших задач физики –выяснить, что случилось с антиматерией и почему мы видим асимметрию между материей и антиматерией.
Как пишут исследователи из ЦЕРН, частицы антиматерии (или антивещества) имеют ту же массу, что и их аналоги из материи, но такие качества, как электрический заряд, противоположны. Положительно заряженный позитрон, например, является античастицей отрицательно заряженного электрона.
Частицы материи и антиматерии должны присутствовать во Вселенной в равном количестве. Но этого не происходит.
Частицы материи и антивещества всегда образуются как пара и, если они соприкасаются, то аннигилируют друг с другом, оставляя после себя чистую энергию. В течение первых долей секунды Большого Взрыва горячая и плотная Вселенная гудела от пар частица-античастица, которые постоянно появлялись и исчезали. Если материя и антивещество рождаются и погибают вместе, кажется, что Вселенная не должна содержать ничего, кроме остатков энергии.
Тем не менее, крошечной части материи – примерно одной частице на миллиард – удалось выжить. Это то, что мы видим сегодня. Интересно, что в последние несколько десятилетий эксперименты по физике элементарных частиц показали, что законы природы не в равной степени применимы к материи и антивеществу.
Исследователи из ЦЕРН трудятся не покладая рук, пытаясь разгадать тайны Вселенной.
Теперь же, как пишут авторы нового исследования, «у нас есть возможность измерить эти нарушения симметрии, используя тяжелые радиоактивные молекулы, которые обладают чрезвычайной чувствительностью к ядерным явлениям, которые мы не можем увидеть в других молекулах в природе».
Речь, как вы уже могли догадаться, идет о нейтронах – тяжелые элементарные частицы, которые не оказывают большого влияния на молекулу, будучи в одну миллионную ее размера и одновременно являясь ее частью.
Большинство атомов в природе содержат симметричное сферическое ядро, в котором равномерно распределены нейтроны и протоны. Но в некоторых радиоактивных элементах, таких как радий, атомные ядра имеют странную грушевидную форму с неравномерным распределением нейтронов и протонов внутри. Физики выдвигают гипотезу, что это искажение формы может усилить нарушение симметрии, которое привело к возникновению материи во Вселенной.
В мае этого года физики из Массачусетского технологического института сделали несколько удивительных открытий на основе очень маленькой радиоактивной молекулы, которая была создана в ускорителе частиц в ЦЕРН. Исследователи полагают, что при достаточно тщательном изучении эти новые типы радиоактивных молекул могли бы пролить некоторый свет на то, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.
Радиоактивные молекулы могут показаться странным местом для начала поиска ответа на один из фундаментальных вопросов, который поставил в тупик современную физику. Но это не обычные радиоактивные молекулы – они существуют только в слияниях нейтронных звезд или сверхновых. По сути, эти молекулы были впервые созданы здесь, на Земле.
Вселенная устроена сложнее, чем мы можем себе представить.
Что делает их интересными, так это их количество нейтронов. Физики смогли измерить влияние нейтрона на энергию его молекулы. Что, кстати, само по себе является научным прорывом (и невероятно сложной работой).
Во-первых, исследователи должны были создать новую молекулу. Особенно их интересовал монофлурид радия (RaF) – нестабильная радиоактивная молекула, которая существует всего несколько секунд после создания.
Как пишет Universe Today со ссылкой на исследование, после успешного создания подобных нестабильных молекул впервые в прошлом году, физики обратили внимание на различные изотопы, что находятся в их составе.
Полученные результаты показали, что рассматриваемые изотопы содержали разное количество нейтронов. Чтобы создать их, ученые разработали диск из карбида урана и фтористого углерода. После того, как его ударили низкоэнергетическим протонным пучком в ускорителе частиц в ЦЕРН, исследователи выпустили настоящий зоопарк новых молекул, в том числе 5 различных изотопов RaF.
Молекулы, содержащие тяжелые и деформированные радиоактивные ядра, могут помочь ученым измерить явления, нарушающие симметрию, и выявить признаки темной материи.
Чтобы захватить эти короткоживущие изотопы, физики использовали серию ионных ловушек – лазеров и электромагнитных полей – для их изоляции. Затем они измерили массу каждой из 5 молекул, чтобы оценить, сколько в ней содержится нейтронов. После этого еще один лазерный луч измерил квантовое состояние каждой молекулы. Удивительно, но разница в одном нейтроне может оказать измеримое влияние на общее квантовое энергетическое состояние молекулы, в которой находится.
Радиоактивные молекулы состоят по меньшей мере из одного радиоактивного атома, связанного с одним или несколькими другими атомами. Каждый атом окружен облаком электронов, которые вместе создают в молекуле чрезвычайно высокое электрическое поле, которое, по мнению физиков, может усилить тонкие ядерные эффекты, такие как эффекты нарушения симметрии. Однако, помимо определенных астрофизических процессов, таких как слияние нейтронных звезд и звездных взрывов, эти радиоактивные молекулы не существуют в природе и поэтому должны быть созданы искусственно.
Таким образом, полученные в ходе недавнего исследования результаты показали, что радиоактивные молекулы, такие как RaF, сверхчувствительны к ядерным воздействиям. Их чувствительность, вероятно, может выявить более тонкие, невиданные ранее эффекты, такие как крошечные ядерные свойства, нарушающие симметрию, которые могли бы помочь объяснить расхождение между количеством материи и антиматерии во Вселенной.
Новые исследования показывают, что радиоактивные молекулы чувствительны к тонким ядерным явлениям.
Важно понимать, что новое открытие, каким бы сложным оно нам не казалось, может оказаться ключом к разгадке тайны не только материи и антиматерии, но и темной энергии. И все же, физикам предстоит проделать большую работу. Но кто знает, может быть, ускоритель частиц большего размера и правда поможет им ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной?
© 2004-2020, «Техника и технологии». Все права защищены.
* XML, HTML | Реклама на сайте
