Исследователи обклеивают фольгой стороны сверхчувствительного детектора, призванного захватывать свет
Первые частицы во Вселенной сформировались после того, как взорвался горячий и плотный комок. Физики считают, что в экстремальных условиях Большого взрыва свет превратился в материю: электроны, протоны и нейтроны, которые позже стали частью нас с вами.
Но физики не уверены насчёт того, как именно произошла такая трансформация. В 90-х физики показали, что они могут преобразовывать свет в материю, сталкивая два пучка излучения чрезвычайно большой энергии. Также они обнаружили, что свет в то же время создаёт равное количество антиматерии. Самые первые частицы материи должны были встретиться с их родственниками из области антиматерии и аннигилировать. Взрыв – и нет больше материи.
Но, очевидно, материя есть. По какой-то причине после Большого взрыва материи сформировалось больше, чем антиматерии, и физики не знают, по какой. «Это одна из крупнейших загадок Вселенной», – говорит физик Дон Линкольн из Фермилаб.
За последние 50 лет в лабораториях и в уравнениях они охотились за процессами, производящими больше материи, чем антиматерии. Один из кандидатов: предсказанный радиоактивный процесс, в котором два нейтрона превращаются в атоме в два протона. Теоретики считают, что в этом процессе, известном, как безнейтринный двойной бета-распад, возникают два электрона и никакой антиматерии. Два новых кусочка материи появляются во Вселенной, и детекторы должны суметь их обнаружить. Если этот процесс произошёл достаточно много раз после Большого взрыва, он может объяснить, откуда взялась эта дополнительная материя.
Но вот в чём подвох: никто никогда не видел, как два нейтрона превращаются в два протона. Из предыдущих экспериментов и расчётов видно, что этот процесс с наибольшей вероятностью будет происходить в определённых атомах, например, в атомах германия и ксенона. Когда в атоме германия два нейтрона становятся протонами, атом превращается в новый элемент, селен. В опубликованной недавно в журнале Nature работе исследователи используют данные со своего сверхчувствительного детектора для подсчёта, согласно которому на то, чтобы половина кристалла германия превратилась через такой распад в селен, уйдёт более 1025 лет. Это в квадриллион раз больше возраста Вселенной. «Это на самом деле очень редкое событие», – говорит физик Питер Грабмейр [Peter Grabmayr], один из участников эксперимента Germanium Detector Array (GERDA) и один из авторов работы.
Грабмейр не боится таких шансов. Для подтверждения того, что такой процесс имеет место, не нужно превращать половину кристалла в селен. Нужно обнаружить распад всего нескольких атомов. Если любой атом из их 36-киллограммового кристалла германия превратится в селен, он смогут засечь энергию двух появившихся электронов, которая будет выглядеть как свет при столкновении с детектором. Чтобы другие источники излучения, вроде космических лучей, не влияли на детектор, кристалл германия разместили в бак с жидким аргоном, на глубине 1400 метров под горой в центре Италии.
Остаётся возможность того, что они никогда не обнаружат этот процесс, как говори Линкольн. «Но это только мнение, – говорит он. – Я бы не стал его поддерживать. Я бы не удивился, если такой эксперимент опроверг бы мою интуицию».
А пока физики исследуют другие процессы, способные объяснить тот факт, что Вселенная состоит из материи. В частности, они хотят найти все отличия антиматерии от материи, поскольку любое расхождение может объяснить то, почему их судьбы в ранней Вселенной оказались разными. В прошлом декабре эксперимент Alpha в ЦЕРН измерил свойства антиводорода, но не нашёл никаких неожиданных отличий от водорода. В январе эксперимент Beauty на Большом адронном коллайдере обнаружил, что при распаде частицы под названием лямбда-б барион продукты её распада разлетаются не под такими углами, как у её двойника из антиматерии.
В ближайшие десять лет Фермилаб планирует построить 1300-км подземный ускоритель частиц от Иллинойса до Южной Дакоты — Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) [глубокий подземный эксперимент с нейтрино]. Цель эксперимента – запускать лучи из нейтрино и антинейтрино на большие расстояния, говорит Линкольн. Если нейтрино будут вести себя не так, как антинейтрино, это может помочь раскрыть ещё одну причину, по которой материи во Вселенной больше, чем антиматерии.
Эти поиски принесут пользу, даже если в результате ничего не найдут, говорит Грабмейр. Их цель – понять правила, по которым работает Вселенная. Если процесс, за который болеет Грабмейр, не существует, сам этот факт можно будет использовать для исключения множества предлагаемых сейчас гипотез.
Группа Грабмейера планирует наблюдать за германием и признаками радиоактивного распада ещё два года. В итоге они хотят использовать до тонны германия в своём детекторе. Больше германия – больше вероятность увидеть распад. «На каком-то этапе мы его обнаружим», – говорит Грабмейр. Но пока что они просто ждут.
Комментарии (38)
valemak
17.04.2017 19:19+1Где-то читал, что изначально материи и антиматерии было почти поровну, просто материи оказалось чуть-чуть больше. После взаимной аннигиляции вот это самое чуть-чуть больше материи и составляет в данный момент нашу Вселенную.
MaxxONE
17.04.2017 21:29А есть ли такая теория, что материи и антиматерии было одинаковое количество, просто в нашем секторе вселенной материи было чуть больше, а в соседнем — меньше? В нашем секторе после аннигиляции осталась преимущественно материя, а в соседнем — антиматерия. Просто тот сектор за пределами нашей обозримой части вселенной.
arheops
17.04.2017 21:34Тогда возникает все тот же вопрос — почему возникло разделение.
MaxxONE
17.04.2017 21:45Да, вопрос возникает. Но то, что вселенная не однородна — факт. В нашей части вселенной галактики распределены не равномерно, микроволновый фон вселенной не столь однороден. Почему бы веществу и антивеществу распределиться не совсем равномерно?
arheops
17.04.2017 22:12Потому, что должно быть чтото, что его удерживало от анигиляции пока такое «не совсем» не образовалося.
arheops
17.04.2017 21:33+2Понимаете в чем дело, даже чтоб было чуть чуть на больше чем несколько атомов, нужно статистически( ну хоть на миллионную долю процента) несимитричные свойства. А пока все — симметрично.
kauri_39
18.04.2017 00:05-8Ну почему же, в тексте указано, что небольшая асимметрия свойств есть: продукты распада какой-то частицы и античастицы разлетаются под разными углами.
Это даёт основание думать, что первичный плотный эфир/вакуум ещё сильнее влиял на проявление разных свойств у кварков и антикварков, электронов и позитронов. Вплоть до того, что живучесть этих систем фотонов была в нём разной, а не одинаковой, как в нынешних опытах по синтезу этих частиц и античастиц. То есть аннигилировать им было не с кем: антикварки и позитроны распадались быстрее, чем успевали аннигилировать с частицами материи.
Образование во Вселенной кварков и распад антикварков могут быть аналогичны процессам образования на Земле клеток и распаду «антиклеток». Клетки имеют белки из левосторонних аминокислот, а «антиклетки» — из правосторонних. Точнее, имели, поскольку все распались. Но некоторые бактерии используют и правосторонние аминокислоты. При абиогенном синтезе аминокислот образуются смеси равных по количеству левых и правых молекул, но равных по количеству клеток и «антиклеток» получить не удавалось, в отличие от кварков и антикварков.
Возможно, в кварках и в антикварках существуют между образующими их фотонами обменные процессы противоположных направлений. Их взаимодействия играют стабилизирующую роль — как обмен пи-мезонами в атомах (в атомных ядрах). То направление обмена, что есть в антикварках, стабилизирует хуже, и поэтому антикварки почти все распались под давлением первичной плотной вселенской среды.
voyager-1
18.04.2017 09:23Таких теорий, объясняющих барионную асимметрию — много. Большинство из них предполагает некоторый «перекос» в реакциях — в пользу барионного вещества, в результате чего в результате первичного нуклеосинтеза образовалось чуть больше обычной материи — которая в итоге и сохранилась. Вроде второй целью (по значимости) БАК после поиска бозона Хиггса — является как раз проверка этих теорий, но вроде пока никаких подтверждений нет.
Есть ещё теория, по которой образование вещества и антивещества происходило не одновременно, а последовательно — колебательным процессом. А так как колебания начались с вещества — его в итоге оказалось больше:
Но так как эта теория не предполагает каких-то не открытых на данный момент явлений — то и проверить её нельзя. Так что она видимо навсегда так и останется красивой теорией.
astudent
17.04.2017 23:56+1А есть ли доказательства того, что соседние галактики состоят из вещества без приставки анти-?
a5b
18.04.2017 02:03+3Есть оценки. Немного по теме в https://geektimes.ru/post/276816/ "Спросите Итана №31: почему мы сделаны из материи?" — 3 июня 2016
Есть непереведенная статья Forbes https://www.forbes.com/sites/briankoberlein/2016/12/27/could-some-distant-galaxies-be-made-of-antimatter/ "Could Some Distant Galaxies Be Made Of Antimatter?" — Brian Koberlein — DEC 27, 2016
https://phys.org/news/2016-06-antimatter-galaxies.html — Are there antimatter galaxies? June 10, 2016 by Fraser Cain, Universe Today — "If these galaxies were out there, we'd see them interacting with the regular matter surrounding them. They would be blasting out radiation from all the annihilations from all the regular matter gas, dust, stars and planets wandering into an antimatter minefield."
На русском — http://nuclphys.sinp.msu.ru/antimatter/ant20.htm Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин АНТИМАТЕРИЯ — М., 2012 — 20. Антиматерия во Вселенной —
Если бы в ближайшем окружении Земли были области, в которых доминировала антиматерия, это должно было бы проявляться в виде аннигиляционных ?-квантов, которые образуются при аннигиляции материи и антиматерии. Важным аргументом в пользу преобладания материи над антиматерией являются космические лучи. Они являются частицами материи — протоны, электроны, атомные ядра, сделанные из протонов и нейтронов.…
Если бы удалось зарегистрировать вблизи Земли ядра антигелия, мы получили бы достаточно сильное свидетельство в пользу существования во Вселенной областей повышенного содержания антивещества.…
На границе между областями с материей и антиматерией должна происходить аннигиляция, соответственно излучаться анигиляционные гамма-кванты. Однако современные гамма-телескопы такое излучение не фиксируют. Исходя из чувствительности телескопов, были проведены оценки. Согласно им, области антивещества не могут ближе 65 миллионов световых лет. Таким образом, таких областей нет не только в нашей галактике, но и в нашем скоплении галактик, включающей в себя кроме Млечного пути еще 50 других галактик.
Konachan700
18.04.2017 14:05На границе между областями с материей и антиматерией должна происходить аннигиляция, соответственно излучаться анигиляционные гамма-кванты. Однако современные гамма-телескопы такое излучение не фиксируют.
А как же испарение ЧД? При разрыве виртуальной частицы во внешний мир вылетает поровну материи и антиматерии, которая тут же анниглирует с находящимся рядом веществом и испускает те же гамма-кванты… Прилично так светить должно…
Andrey_Epifantsev
18.04.2017 07:01Согласно им, области антивещества не могут ближе 65 миллионов световых лет.
Это не так уж и много по сравнению с наблюдаемым размером Вселенной. Далёкие галактики вполне могут состоять из антивещества.
NeoCode
18.04.2017 07:59-1У меня есть некая совершенно дилетантская и чисто умозрительная гипотеза по этому поводу. Можно представить себе нашу Вселенную как четырехмерную сферу, а частицы — как некие «искривления», или «пузырьки» на ее поверхности, причем направленные в разные стороны: материя — наружу сферы, антиматерия — внутрь (или наоборот). По причине кривизны сферы «искривления наружу» и «искривления внутрь» обладают немножко разными свойствами, и скорее всего «искривлений наружу» может быть совсем чуть-чуть больше чем внутрь.
Понятно что это все фигня, но может в этом есть какое-то рациональное зерно?Vjatcheslav3345
18.04.2017 12:23+2А куда делись ещё 7 измерений? (Вселенная, по [спорным] современным представлениям, — 11-мерна)...
NeoCode
18.04.2017 21:57Я же говорю что гипотеза дилетантская и умозрительная, и конкретным числом измерений здесь можно пренебречь — это только предположение о том, что на асимметрию материи и антиматерии влияет гипотетическая кривизна Вселенной (как гиперсферы или чего-то подобного) и возникающие отсюда понятия — «выпуклая» и «вогнутая» (или «внешняя» и «внутренняя») «гиперстороны».
А что сколько на самом деле измерений, физика точно не знает. 11 — это тоже гипотеза.
Tagire
18.04.2017 16:09+2Прикольная теория на мой дилетантский взгляд, если кривизна пространства как-то связана со свойствами частиц то действительно ведь разница будет. Как расстояние между верхушками двух башен будет больше, чем расстояние между низами двух шахт такого же размера по высоте.
Vjatcheslav3345
18.04.2017 21:04Ну как бы почти так оно и есть на самом деле — с точки зрения наблюдателя, расположенного в пространстве с мерностью более 3-х, и, например, наблюдающего за чёрной дырой...
i_Max2
18.04.2017 14:52Ну анигиляция одного с другим произходит только при столкновении атомов, соответственно «антигалактика» вполне может существовать на каком то расстоянии от галактики, ну если они не сталкиваются на атомарном уровне то и не анигилируют.
Изходя из данных википедии отличить по спектру вещество от антивешества нельзя (ну там говорится о оптическом спектре атома водорода и антиводорода).
По мне так должно быть куча антигалактик, только на вид их не отличить от обычной галактики.
black_semargl
18.04.2017 15:20+2Только вот ещё есть межгалактический газ (которого по массе в несколько раз больше чем масса галактик)
И он бы на границе аннигилировал.i_Max2
18.04.2017 16:44-1Но он же очень сильно разряжен (по сравнению с галактикой), если и столкнутся атомы этого газа с галактическим антивеществом эти два атома анигилируют. Пшик этого колличества будет даже не заметен на фоне яркости самой антигалактики.
black_semargl
18.04.2017 16:51+2Он даёт очень характерный спектр, соответствующий массе аннигилирующих частиц.
Ни один другой процесс такой спектр не даст.
mrigi
18.04.2017 16:51-2Персонажи с AI в компьютерной игре тоже могут исследовать свой виртуальный мир и строить догадки как же он создан. Но это бесмысленно, так как природа происхождения мира совсем другая и изнутри её не увидеть. Самое забавное, что именно развитие науки и технологий даёт второе дыхание теоистическим теориям происхождения мира и делает их очень даже реалистичными.
haryaalcar
18.04.2017 22:59-1А чём чёрная дыра, состоящая из антиматерии, будет отличаться от чёрной дыры, состоящей из материи? Ведь информацию из-под горизонта событий не вытянешь?
DrSavinkov
19.04.2017 00:41Наверное, такая дыра не прожила бы долго — при захвате вещество реагировало бы с антивеществом и просто грело дыру, не давая ей "+" в массу.
jar_ohty
19.04.2017 23:25+2Антивещество не обладает отрицательной массой — с гравитационной точки зрения анти- и обычное вещество эквивалентны. Вещество, падающее в анти-ЧД, будет аннигилировать с ее антивеществом, но поскольку это все происходит под горизонтом событий, образующееся при этом излучение не выходит за его пределы и за его счет лишь увеличивается масса ЧД (как раз ровно на массу упавшего в дыру вещества).
HiMem-74
20.04.2017 06:43-1Думаю, на этот вопрос не удастся ответить, пока непонятно что за НЁХ это «темная материя» и «темная энергия», пока этими терминами называют нечто непонятное, по сути «подгоночный коэффициент», чтобы формула сошлась с наблюдаемой вселенной.
Мысль в том, что недостающая до симметрии антиматерия каким-то образом участвует в формировании вот этого темного?
eandr_67
Теперь ещё и «антиматерия»… В русском языке есть только антивещество. Всё остальное — невежество «писателей», подменяющих русскою терминологию (которую они, очевидно, не знают), появившуюся задолго до их рождения, тупо скалькированными англицизмами.
DrPass
Зачем придумали слово «пылиглот», если есть нормальное русское слово «пылисос»?
edd_k
Что за секта противников новых нормальных слов? Ладно бы оно только появилось, но оно уже давно и вовсю используется. И оно — НОРМАЛЬНОЕ =)
Хоть одна причина, почему нет?
engine9
Для многих (даже с филфака) большим открытием является то, что словари создаются как описание языка. Т.е. слово сначала приживается в речи, а потом попадает в словарь. А не наоборот :)
eandr_67
Вот и выросло поколение, которое высеры малообразованных «журналистов» называет «нормой».
edd_k
Мне кажется, высер — это когда вместо "логически обосновать" или "забить" прибегают к мемчику уровня "вот и выросло поколение".
А мне вот, хоть убей, не понятно, почему меня окружает материальный мир, т.е. состоящий из материи (вместе с тем, и из химических веществ тоже), но слову анти-материя в этом материальном мире места нет (внезапно). Получается, что кто-то "высрал" в словари неправильное словосочетание "материальный мир" вместо правильного "вещественный мир" — и это норм. А когда вслед за этим материи хочется противопоставить анти-материю — это уже не норм…
И причина всего этого — "вот и выросло поколение!", ага.
r00tGER
«Вещество» и «материя» имеют разные значения. Что логично и для «анти».
eandr_67
Продемонстрируйте существование «антиэнергии», «антиполя», «антиизлучения» — и тогда с полным правом сможете утверждать, что «антиматерия» существует. А пока в физике есть только «антивещество», ни о какой «антиматерии» речи быть не может.
DrPass
Сначала объясните, почему повсеместно используемый термин «антиматерия», который означает «вещество, состоящее из античастиц», является некорректным. Только если вы будете свои рассуждения строить на том, что «материя» без приставки «анти» не является эквивалентом слову «вещество», тогда объясните, пожалуйста, корректны ли термины «Антикафе» или «Антилопа».
Если без шуток, во-первых, термин «материя» достаточно долго уточнялся, и «антиматерия» была предсказана, да и открыта задолго до того, как к материи причислили и поля, например. Во-вторых, предсказанное существование, например, антигравитации — это достаточное основание для того, чтобы понятие «антиматерии» расширилось до нужных вам границ?
r00tGER
Бред!
Для существования термина не обязательно реальное и доказанное существования характеризуемого объекта.