PRO Антиматерию

Эксперименты показывают, что при еще более высоких температурах материя приобретает и другие новые формы. Насколько мы можем судить, электроны остаются одними и теми же при всех температурах, а протоны и нейтроны – нет. В холодных условиях Земли и даже в горячем центре Солнца протоны и нейтроны – это сгустки кварков, которые удерживаются вместе глюонами. При более высоких температурах на том уровне, который можно изучать в самых мощных ускорителях, имеющихся в настоящее время, кажется, что ядерная материя расплавляется: атомы превращаются в электрическую плазму при 10 000 градусах, а протоны и нейтроны превращаются в «кварково-глюоновую плазму» при температуре около триллиона градусов.

Сегодня нигде во Вселенной такой температуры нет, за исключением столкновений частиц в ускорителях с высокой энергией. Даже 50 лет назад в «Беватроне» можно было создать условия с более высокой температурой, чем на Солнце. Сегодня мы можем моделировать условия, которые превалировали сразу же после Большого взрыва. Именно в ускорителях антиматерия в форме антипротонов и позитронов стала идеальным инструментом. Когда протоны ударяются в цели из материи, часть их энергии теряется и остается только небольшое количество для создания новых частиц. Однако если вы ускорите движение античастиц примерно до скорости света, а потом они будут сталкиваться с пучком идущих на такой же высокой скорости их материальных двойников, произойдет полная аннигиляция: вся энергия, ранее пойманная в ловушку в их отдельных E = mc², высвобождается.

Эксперименты, проводившиеся в Большом электрон-позитронном коллайдере, о котором мы рассказывали выше, подтвердили, что Большой взрыв породил электроны и позитроны, кварки и антикварки и множество фотонов и глюонов. Это происходило на заре Вселенной, когда температура была на миллиарды градусов выше, чем сегодня Солнце. По мере старения и охлаждения Вселенной эти базовые частицы соединялись вместе, строя все более и более сложные структуры. Кварки склеивались вместе по три, создавая постоянные структуры, которые мы называем протонами и нейтронами, а шары плазмы, которые они формировали, начали готовить «зерна» элементов. Когда температура еще больше снизилась, примерно до того, что мы называем комнатной, эти ядерные зерна смогли зацепиться за проходящие мимо электроны и сформировали атомы, химию, биологию и жизнь.

Мы хорошо понимаем, как материя в том виде, в котором мы ее знаем сегодня, сформировалась и развивалась на протяжении 14 миллиардов лет после Большого взрыва. Ирония заключается в том, что мы многое об этом узнали, используя антипротоны и позитроны как инструменты, помогающие нам вернуться назад во времени и посмотреть, как сотворялась материя. Если бы в космосе антипротоны и позитроны имелись в большом количестве, они легко могли бы сформировать антизвезды, космические кухни которых приготовили бы ингредиенты для формирования антиэлементов. Посыл состоит в том, что материя и антиматерия формировались соответствующими друг другу парами. Тем не менее выжить смогла только материя. Где-то в первые моменты существования Вселенной, ранее, чем в миллиардную долю секунды, возник дисбаланс между материей и антиматерией.

Нейтрино

Мы уже говорили об асимметрии между материей и антиматерией и о том, что это естественно для Вселенной. Но при изучении странных частиц это стало сенсацией. Однако, чем больше собиралось данных, становилось все более ясно, что явления, включающие кварки и антикварки, не могут объяснить количественное полное доминирование материи во Вселенной сегодня. В последнее время ученые обратили внимание на лептоны и нейтрино.

Название «лептоны» происходит от греческого слова, означающего «легкий». Название появилось в 1948 году и было выбрано, потому что все известные в то время лептоны были значительно легче тяжелых частиц, входящих в класс барионов, название которых происходит от греческого слова «тяжелый». Сейчас это уже не вполне соответствует реальному положению дел, поскольку открытый в 1977 году тау-лептон примерно в два раза тяжелее самых легких барионов. Лептоны – это элементарные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны вместе с кварками (которые участвуют во всех четырех взаимодействиях, включая сильное) составляют класс фундаментальных фермионов – частиц, из которых состоит вещество и у которых, насколько нам известно, отсутствует внутренняя структура.