# «Мы — ошибка выжившего»: физики ищут пропавшую антиматерию

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=qMMgsjnI1is
Канал: World Science Festival
Опубликовано: 06.06.2018

---

В 1928 году Поль Дирак вывел уравнение для описания поведения электрона на скоростях, близких к световым. Математическое решение этой формулы всегда давало два ответа, подобно извлечению квадратного корня из положительного числа. Учёный осознал: первый результат описывает обычный электрон, а второй — зеркально симметричную частицу с противоположным электрическим зарядом. Так физика предсказала существование антиматерии за четыре года до её экспериментального обнаружения.

## 🌀 Математическое предсказание и физическая реальность
[[JUMP:00:01]]

Поль Дирак потратил три года, прежде чем решился заявить: его уравнение описывает реальный антимир [00:52]. Античастица электрона (позитрон) обладает той же массой и спином, но несёт положительный заряд [01:04]. Уравнение Дирака распространяется на все фундаментальные частицы. У кварков есть антикварки, у протонов — антипротоны. В теории это позволяет существовать антиатомам, антизвёздам и антигалактикам.

В 1932 году Карл Андерсон сфотографировал в камере Вильсона трек частицы, которая двигалась как электрон, но отклонялась магнитным полем в противоположную сторону [01:45]. Это стало первым экспериментальным доказательством теории Дирака.

При контакте материи и антиматерии происходит аннигиляция — мгновенное превращение массы в чистую энергию [02:02]. В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная содержала равные части вещества и антивещества. Согласно законам физики, они должны были полностью уничтожить друг друга, оставив после себя лишь море безструктурного излучения [02:35]. Факт существования планет, звёзд и людей указывает на фундаментальную ошибку в этом сценарии.

## ⚖️ Парадокс «одного на миллиард»
[[JUMP:29:42]]

Советский физик-диссидент Андрей Сахаров первым предложил механизм сохранения материи через нарушение симметрии [30:15]. Учёные рассчитали, что для выживания современного мира было достаточно крошечного дисбаланса. На каждый миллиард антипротонов должен был существовать один миллиард плюс один протон [03:24]. Эта «лишняя» частица на миллиард пар и сформировала всё видимое вещество во Вселенной.

Хитоши Мураяма объясняет этот процесс через аналогию с «черным ящиком» [32:25]. Если в начале было равное количество «оранжевых» и «синих» кроликов (частиц и античастиц), то внутри этого ящика должен был сработать процесс, превративший часть антиматерии в материю [33:50]. Физики ищут условия Сахарова, которые могли бы запустить такой механизм. Одно из них — нарушение CP-симметрии, когда законы физики меняются при замене частиц на античастицы и зеркальном отражении пространства.

## 🏭 Фабрика антиматерии в ЦЕРНе
[[JUMP:22:25]]

Человечество уже научилось создавать антивещество в лабораторных условиях. В ЦЕРНе работает единственный в мире завод по производству антипротонов [23:06]. Процесс начинается в баллоне с водородом. Газ расщепляют на электроны и протоны. Последние ускоряют почти до скорости света и направляют в мишень из иридия [23:35]. Энергия столкновения порождает пары частиц и античастиц.

Майкл Дозер описывает сложности работы с полученным материалом:

*   **Скорость:** антипротоны вылетают из мишени слишком быстро для захвата.
*   **Замедление:** учёные используют «анти-ускоритель» (Decelerator), чтобы снизить скорость частиц до 10% от световой [24:02].
*   **Ловушки:** антиматерию удерживают магнитными и электрическими полями в глубоком вакууме. Любое касание стенок контейнера ведёт к потере антивещества [24:50].

Масштабы производства остаются микроскопическими. За год работы ЦЕРН создаёт около 10 нанограмм антиматерии [25:48]. Для производства четверти грамма антивещества (количество из фильма «Ангелы и демоны») потребовалось бы 100 миллионов лет работы ускорителей и около 500 триллионов долларов [27:50].

## 🧪 Проверка гравитации и спектров
[[JUMP:35:34]]

Экспериментаторы ищут любые отличия антиматерии от обычного вещества. Коллаборация ALPHA в ЦЕРНе изучает антиводород, состоящий из антипротона и позитрона [37:05]. Учёные облучают антиатомы лазерами и микроволнами, чтобы сравнить их энергетические уровни со спектром обычного водорода [38:03]. Погрешность измерений достигает одной стомиллиардной доли, но пока различий не обнаружено.

Эксперимент AEGIS проверяет влияние гравитации на антивещество [40:51]. Майкл Дозер объясняет: существует гипотеза, что антиматерия может «падать вверх». Для проверки учёные охлаждают антиводород до температур, близких к абсолютному нулю, и стреляют им по параболической траектории [41:05]. Если антивещество падает с другим ускорением, чем обычная материя, это разрушит общую теорию относительности Эйнштейна.

## 👻 Нейтрино как «супергерои» Вселенной
[[JUMP:42:19]]

Нейтрино — единственные фундаментальные частицы без электрического заряда. Джанет Конрад называет их «тихими» частицами, которые могут скрывать ключ к асимметрии [43:15]. Тот факт, что у них нет заряда, позволяет им теоретически превращаться из материи в антиматерию и обратно [44:41].

Хитоши Мураяма описывает эффект осцилляций: нейтрино меняют свой «вкус» (тип) во время движения [46:34]. Учёные проводят эксперименты, сравнивая, как танцуют нейтрино и антинейтрино. В США планируется эксперимент DUNE: пучок нейтрино из лаборатории Фермилаб (Иллинойс) отправят сквозь толщу земли в шахту в Южной Дакоте на расстояние 1300 километров [51:00]. Если антинейтрино меняют свой тип с другой скоростью, это объяснит преобладание материи в космосе.

Другое направление поиска — безнейтринный двойной бета-распад [58:17]. Если этот процесс существует, он докажет, что нейтрино является собственной античастицей. Это позволило бы нейтрино в ранней Вселенной массово превращать антиматерию в материю.

## ⚡️ Поле Хиггса и Большой разрыв
[[JUMP:1:11:47]]

Марсела Карена связывает дефицит антиматерии с бозоном Хиггса. Поле Хиггса включилось через 10 миллиардных долей секунды после Большого взрыва, наделив частицы массой [1:14:11]. В этот момент во Вселенной расширялись «пузыри» новой фазы пространства. На границах этих пузырей могли происходить «скользкие» процессы (сфалероны), создававшие избыток материи [1:16:57].

Стандартная модель физики не даёт достаточного масштаба для этого эффекта. Марсела Карена утверждает: масса бозона Хиггса (125 ГэВ) примерно в три раза выше, чем требуется для выключения «скользких» процессов в нужный момент [1:19:34]. Для решения загадки физикам нужны новые частицы или суперсимметрия, которые могли бы усилить влияние поля Хиггса в ранней Вселенной.

## 🪞 Теория анти-Вселенной
[[JUMP:1:22:20]]

Нил Турок предлагает альтернативный взгляд, отказываясь от усложнения теории. Он критикует идею мультивселенной, называя её признаком бессилия теоретиков [1:22:20]. По его словам, на самых крупных масштабах Вселенная поразительно проста и описывается всего одним числом, характеризующим флуктуации плотности [1:23:10].

Его гипотеза основана на CPT-симметрии (заряд, четность, время). Нил Турок предполагает, что в момент Большого взрыва возникла не одна Вселенная, а пара [1:29:26]:

1. Наша Вселенная, расширяющаяся вперёд во времени.
2. Анти-Вселенная, расширяющаяся «назад» от точки старта относительно нас.

С точки зрения внешнего наблюдателя этот процесс напоминает рождение пары электрон-позитрон из вакуума под действием электрического поля [1:26:37]. С этой позиции избыток материи в нашем мире — лишь иллюзия, вызванная тем, что мы видим только одну половину зеркально симметричной системы.