Спросите Итана №13: откуда взялась материя?

Увидев свою копию, состоящую из антиматерии, которая бежит к вам навстречу, хорошенько подумайте перед тем, как обнимать её.
— Дж. Ричард Готт III

Возможно, вы не задумывались над тем, что вся Земля и всё, что на ней есть, создано из материи. Это кажется интуитивным и по-другому быть не может. Однако законы природы пока не рассказали нам, почему Вселенная так устроена.

Читатель спрашивает:

Правда ли, что на заре Вселенной материя и антиматерия были созданы в равных количествах? А если нет, известно ли, отчего возникло такое неравенство?
А если их количество было одинаково, почему антиматерии так мало? Есть ли механизм объяснения превалирования материи над антиматерией в видимой части Вселенной?

Задумайтесь над этим.



Вот – часть Вселенной. Сотни миллиардов звёзд и звёздных систем существуют только в нашей галактике. Сотни миллиардов галактик есть в обозримой части Вселенной. Из них всех мы изучили лишь нашу собственную звёздную систему, которая, что неудивительно, оказалось созданной из материи, а не антиматерии.



Но, судя по всему, вся остальная Вселенная также сделана из материи. Точнее сказать, материала во Вселенной полно, и если бы где-то была часть, сделанная из антиматерии, мы бы стали свидетелями грандиозной катастрофы, когда материя и антиматерия встретились бы.



К примеру, пространство между звёзд в галактиках, полно материалом, даже если там нет звёзд. Космос обширен, и плотность материи низка. Можно подсчитать – если бы мы швырнули одну частицу антиматерии (допустим, антипротон) в космосе, сколько бы она прожила перед встречей с частицей из материи и аннигиляцией. В среднем в межзвёздном пространстве нашей галактики она просуществовала бы 300 лет – что по сравнению с возрастом галактики ничто. Это ограничение говорит о том, что среди материи могут присутствовать частицы антиматерии лишь в количестве порядка 1 частицы на 10¹⁵.



На более крупных масштабах мы нанесли на карту галактики и их кластеры, посмотрели вокруг на разных длинах волн, включая видимый свет, инфракрасные волны, микроволны, радио, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи. Конкретно рентгеновские и гамма-лучи очень важны для наблюдений, потому что при аннигиляции материи и антиматерии они испускают характерную высокоэнергетическое излучение, которое мы можем засечь.



Изучив 55 галактических кластеров, на расстояниях от нескольких миллионов световых лет до трёх миллиардов, мы увидели, что и на космических масштабах 99.999%+ всей материи – это обычная материя, а не антиматерия.



И всё-таки это неожиданно. Возможно, вы слышали что-то о формуле E = mc², и вы знаете, что она утверждает, что не только в массе содержится энергия, но что можно создать и частицу, имея на руках достаточное для этого количество энергии. Но это ещё не всё.



Как мы установили в лабораторных опытах на Земле, единственный способ создать материю – взять в два раза больше энергии, чем говорит формула E = mc², и создать одинаковое количество материи и антиматерии. И наоборот, уничтожить материю мы можем, только столкнув её с антиматерией, в результате чего выделяется чистая энергия. И все законы физики говорят, что это справедливо в любое время для любых энергий.

И тем не менее, наша Вселенная перед нами.



Если бы мы начали с Большого взрыва, то в конце инфляции, со всеми нужными начальными условиями и известными законами физики, у нас получилось бы такое состояние:

• Вселенная была бы горячей, плотной, расширяющейся, наполненной излучением и равными долями материи и антиматерии.
• Материя и антиматерия сталкивались бы, аннигилировали, превращаясь в излучение, а высокоэнергетические частицы сталкивались бы друг с другом, спонтанно создавая новые частицы из материи и антиматерии в равных долях, с избытком энергии.
• Вселенная бы расширялась и охлаждалась, и при этом энергия и плотность бы падали.

Но, если энергия падает, высокоэнергетическим частицам становится сложнее производить новые пары материя/антиматерия (b), в результате чего уменьшается количество реакций превращения материи и антиматерии в излучение. Но при падении плотности, парам материя/антиматерия становится сложнее найти друг друга (а), в результате чего количество этих встреч не упадёт до нуля. Всегда найдутся остатки материи и антиматерии.

И тут начинаются странности. По всем вычислениям, исходя из известных законов физики и наших опытов, должно быть 10²⁰ частиц излучения на каждую частицу материи или антиматерии. Но в нашей вселенной их всего миллиард, 10⁹ штук, на одну частицу материи. А антиматерии вообще очень мало.



Так откуда взялась лишняя материя? Почему появилась лишняя материя, но не антиматерия? И когда? И как?

Честно говоря, это – одна из самых больших неразрешённых загадок физики. Но если мы не знаем всего, это не значит, что у нас вообще нет каких-то ключей к разгадке. К примеру, с 1960-х годов известно, что удовлетворив трём следующим условиям:

1. отсутствие равновесия
2. несохранение барионного числа
3. нарушения C- и СР-инвариантности

можно создать больше материи, чем антиматерии (или наоборот). Более того, асимметрия в этом случае просто неизбежна. И, к счастью, двум из этих критериев легко удовлетворить.



«Отсутствие равновесия» происходит, когда некие события в одной части системы не влияют на другую часть, поскольку информация не успевает дойти до них. Расширяющаяся Вселенная – прекрасный пример системы, в которой по определению отсутствует равновесие, а приведённое описание возникновения и аннигиляции материи и антиматерии при расширении и охлаждении Вселенной – прекрасный пример неравновесного процесса.



Также есть много примеров различия между материей и антиматерией, и нарушения различных симметрий. Одна из них – симметрия зарядового сопряжения, или С-симметрия. Если вы замените все частицы на античастицы, и С-симметрия сохраняется, тогда система будет вести себя точно так же. Ещё одна – симметрия чётности, P-симметрия. Если она сохраняется, то реальная система и её зеркальное отражение должны вести себя одинаково.



Нестабильная частица вроде вращающегося мюона распадётся конкретным способом – испустив электрон в определённую сторону согласно спину. Если отразить это в зеркале (Р), то электрон будет испущен в противоположную сторону, чего в жизни не бывает. Если заменить мюон анти-мюоном (С), он испустит позитрон в изначальном направлении – а этого тоже не бывает. Но если заменить вращающийся мюон зеркальной копией вращающегося анти-мюона (С и Р, СР), можно было бы надеяться, что его распад должен происходить так же надёжно, как и распад мюона в реальном (не зеркальном) мире. Но этого не происходит. Есть и другие примеры нарушения С и СР симметрий, в системах к-мезонов или B-мезонов.



Поэтому, нам осталось только заполучить взаимодействия, не сохраняющие барионное число в достаточных количествах, иначе говоря, создающие барионы там, где их не было (а было нечто другое). К сожалению, тут нужна такая физика, которой в Стандартной модели нет.

Но механизмов таких придумано предостаточно:

• теории великого объединения, содержащие частицы GUT-масштабов
• теории с новыми скалярами, содержащими механизмы Аффлека-Дайна
• расширения Стандартной модели, включающие тяжёлые стерильные нейтрино
• теория избытка лептонов в молодой Вселенной (лептогенезис)
• новая физика электрослабого масштаба, которая может улучшить асимметрию между материей и антиматерией

Я вам подробно расскажу только один пример.

Представьте горячую, плотную, юную Вселенную. В дополнение к излучению и частицам материи и антиматерии, входящих в Стандартную модель, есть ещё одна частица (и античастица), Q (и анти-Q). Q – очень тяжёлая, сильно тяжелее протона, имеет положительный заряд +1 (как у протона) и появляется в изобилии в юной Вселенной, совместно со своими половинками, анти-Q, которые имеют ту же массу и противоположный заряд.

Поскольку они нестабильны, то при остывании Вселенной они прекратят создаваться. Большинство из них найдут друг друга и аннигилируют, а оставшиеся будут распадаться.



Для каждого варианта распада Q должен случиться соответствующий распад у анти-Q. Если Q распадается на протон и нейтрино, анти-Q должна распасться на антипротон и антинейтрино. Если Q распадается на антинейтрон и позитрон, анти-Q должна распасться на нейтрон и электрон.

Это не настоящие частицы, они приведены для примера. Но в разных теориях есть такие частицы, вроде X-и-Y бозонов в GUT и лептокварков в некоторых расширениях Стандартной модели, которые работают по очень похожим правилам.

В отсутствии нарушения СР-симметрии, они будут распадаться так же, как их противоположность.



Пока всё это скучно, этот процесс не создаст избытков массы. Но если мы допустим нарушение СР-симметрии, то разница между частицами и античастицами может быть в количестве распадов. Какой процент от Q распался на протоны и нейтрино, по сравнению с тем, какой процент от анти-Q распался на антипротоны и антинейтрино. У нас может получиться нечто, похожее на следующую картинку, что схоже с тем, что мы наблюдаем в системах с Каонами и B-мезонами. Заметьте различие между распадами Q и анти-Q. 



Допустим, что наша Вселенная полна материи и антиматерии в равных долях, и излучений, которые мы проигнорируем. Допустим также, что есть куча Q и анти-Q в равном количестве, которые распадаются в соответствиями с теми нарушениями СР-симметрии, которые описаны выше.

Что останется?

Море протонов, нейтрино, антинейтрино, позитронов, антипротонов, антинейтрино, нейтронов и электронов. Это да. Но протонов и нейтрино будет больше, чем антипротонов и антинейтрино, и будет меньше антинейтронов и позитронов, чем нейтронов и электронов. Если мы проигнорируем лептоны (нейтрино, электроны и их античастицы), то вот, что нам оставит море распадающихся Q и анти-Q частиц.



И после того, как встретятся все пары материи и антиматерии, останется избыток материи по сравнению с антиматерией.

Какой-то вариант такого развития событий однозначно имел место и привёл к тому, что мы имеем разное количество материи и антиматерии, и что плотность материи (но не антиматерии) одинаково везде, где бы мы ни посмотрели. Даже, несмотря на то, что это одна из величайших неразрешённых задач в физике, мы многое про неё знаем, и это достойно пересказа.