PRO Антиматерию

Выше мы говорили про бозоны, которые состоят из кварков и антикварков. Среди сотен типов есть один, который, как оказалось, демонстрирует абсолютную разницу между материей и антиматерией. Эта странная частица называется нейтральным каоном, обозначается – K⁰. Напомним, что каоны – это группа элементарных частиц с нулевым спином и массой около 970 электронных масс, принадлежащая к странным частицам. В группу входят два заряженных и два нейтральных каона. Каоны бывают заряженные, нейтральные, короткоживущие, долгоживущие.

Нейтральный каон состоит из кварка и антикварка с различными ароматами, при сложении электрических зарядов которых получается ноль. Кварк с нижним ароматом вместе с антикварком странного типа дают K⁰. Если заменить материю антиматерией, то у вас будут странный кварк и нижний антикварк, которые дают антиверсию K⁰.

Первая подсказка о том, что K⁰ и его античастица – особенные, появилась в 1964 году, во время эксперимента, проводившегося в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке, во время которого меняли заряды и при этом смотрели в зеркало. До этого времени считалось, что материя и антиматерия будут вести себя одинаковым образом. Однако, к удивлению всех, эксперимент показал, что это не так. По результатам эксперимента сотрудники Брукхейвенской лаборатории, американские физики, которые занимались ядерной физикой и физикой элементарных частиц, Джеймс Кронин и Вэл Фитч, были удостоены Нобелевской премии в 1980 году за открытие нарушения симметрии относительно операции комбинированной инверсии. Комбинированная инверсия обозначается СР, это операция перехода от частиц системы к античастицам (зарядовое сопряжение) с одновременным изменением знаков пространственных координат частиц (пространственная инверсия – Р). Все взаимодействия в природе (за исключением процессов распада одной частицы) инвариантны (то есть не меняются) относительно комбинированной инверсии. Пространственная инверсия (Р) – это изменение знаков пространственных координат на противоположные (то есть х на – х, y на – y, z на – z), получается при зеркальном отражении координат частиц. Физические процессы, обусловленные сильными и электромагнитными взаимодействиями, не меняются при пространственной инверсии, то есть симметричны по отношению к пространственной инверсии. Зарядовое сопряжение – это операция замены всех частиц, участвующих в каком-либо процессе, на соответствующие античастицы. Сильное и электромагнитное взаимодействия не меняются при зарядовом сопряжении.

Инь и Ян – символ происхождения элементарных частиц

То есть до эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории считалось, что СР будет «симметрией» законов природы. Однако это не так! После присуждения Нобелевской премии Кронину и Фитчу одна шведская газета написала, что премию по физике дали за открытие того, что «Законы природы неправильны!». Законы природы не неправильны, хотя они оказались более утонченными или даже хитрыми, чем кто-либо предполагал.

Сегодня мы лучше понимаем, что происходит. Мы даже нашли способы показать асимметрию между K⁰ и его античастицей при обратном ходе времени.

Странный кварк более массивен, чем нижний, но во всем остальном точно такой же. В результате странный кварк может отдать часть энергии и превратиться в нижний кварк. Точно так же антистранный кварк может превратиться в антинижний кварк. И наоборот, если нижний или антинижний кварк получает энергию, то он может стать странным или антистранным кварком. Это имеет большое значение для K⁰ и анти-K⁰: они постоянно меняются, будто доктор Джекил и мистер Хайд (напомним о героях повести Стивенсона: доктор Джекил – ученый и филантроп, человек безупречной репутации, его уважают знакомые и любят друзья. В результате научных экспериментов ему удается материально раздвоить свою личность, выделив из нее порочную и злобную половину – мистера Хайда).

В форме «Джекила» мы имеем комбинацию нижнего кварка с антистранным. Антистранный теряет энергию и превращается в антинижний; иногда эта энергия просачивается наружу и происходит распад каона; но она также может быть впитана соседним нижним кварком, в результате чего тот превратится в странный кварк. В этом случае то, что начиналось как нижний кварк с антистранным кварком, превращается в странный с антинижним: K⁰ «Джекил» изменился в анти-K⁰ «Хайд».