Исследование антивещества

Еще философы древности высказывали предположение о двойственной структуре" природы, утверждая, что каждой вещи и каждому существу соответствует аналогичная вещь и аналогичное существо, но с противоположным знаком. Наука доказала диалектическую симметрию природы. Современная физика утверждает, что каждой элементарной частице, входящей в состав атома того или иного вещества, обязательно соответствует античастица.

В 1928 г. П. Дирак вывел уравнение, описывающее поведение электрона при скорости, близкой к световой. Оказалось, что уравнение имеет два равнозначных ответа, но с разными знаками. Получалось так, что должна существовать полностью аналогичная электрону частица, но с электрическим зарядом противоположного знака - положительная. Избавиться от "зеркального двойника" не удавалось никакими математическими ухищрениями. Отсюда следовал строгий физический вывод: электрон должен иметь напарника "наоборот" - антиэлектрон. А раз так, то, возможно, где-то существуют целые антимиры из антивещества.

Правота Дирака подтвердилась в 1932 г., когда в космических лучах обнаружили антиэлектрон, названный позитроном. Он существовал в полном соответствии с вычислениями Дирака и аннигилировал с электроном, превращаясь в электромагнитное излучение. Рядом с термином "аннигиляция" появились такие, как "рождение пар" и "зарядовая четность". За ними крылись сложные физические явления.

Существуют ли антиподы для протона, нейтрона и других частиц, имеет ли смысл зарядовая четность для ядерных сил? Как известно, ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях, меньших, чем 10^-13 см. Чтобы зондировать ядра, нужен особый "скальпель" - частицы очень высоких энергий. Для" рождения античастиц при столкновениях частиц высоких энергий требуется, чтобы энергия налетающей частицы-снаряда была достаточно велика.

Реальная возможность для наблюдения антипротонов и антинейтронов появилась в середине 50-х гг., когда были построены ускорители, в которых частицы разгонялись, приобретая энергию в 6-10 ГэВ. После открытия антипротона, а затем антинейтрона и других частиц на очередь дня встала новая задача - найти в природе антиядра, доказать, что наряду с известной нам таблицей Менделеева для элементов существует и таблица для антиэлементов, т. е. доказать существование антивещества.

Многие астрофизики предполагают, что во Вселенной присутствует антивещество, которое играет значительную роль в эволюции мира. Однако современные астрономические методы не дают возможности зарегистрировать объекты из антивещества во Вселенной - электромагнитное излучение вещества и антивещества одинаково, а методы нейтронной астрономии пока недостаточно тонки.

Оставался единственный способ экспериментальной проверки теории - получить антивещество в земных условиях. Такой путь дает возможность не только доказать, что антиядра существуют, но и изучить закономерности их рождения и взаимодействия. После введения в строй Серпуховского ускорителя советские физики в 1969 г. детально изучили процессы образования антидейтрона - антиядра тяжелого изотопа водорода дейтерия (один антипротон, два антинейтрона), затем в 1970 г. открыли ядро антигелия-3, а в 1973 г. установили явление образования нового антиядра - антитрития. Механизм актов рождения антивещества стал гораздо яснее.

Исследования привели к выводу: в сильных взаимодействиях принцип зеркальной симметрии непоколебим, тогда как в слабых он, как известно, не выдерживается. Возникают проблемы нарушения пространственной зарядовой и временной симметрии. Ученые пытаются установить связь между этими нарушениями в макро- и микромире. Предполагают, что и зарядовая и временная асимметрия окружающего нас мира является следствием особых начальных условий, существовавших во Вселенной примерно 10¹⁰ лет назад.

В связи с этим огромный интерес представляют предстоящие эксперименты Института ядерной физики Сибирского отделения АН СССР по исследованию несимметрии мира и антимира (нарушение закона сохранения комбинированной четности), обнаруженной на ускорителях несколько лет назад.

"Одной из возможных причин обнаруженного явления, - рассказывает доктор физико-математических наук А. П. Онучин, - может быть несимметрия начальных условий в опытах, поскольку все они проводились на мишенях, состоящих из вещества нашего мира. Проведение эксперимента в нашем институте на позитрон-электронных пучках исключает такую возможность - начальное состояние полностью симметрично. Факт нарушения комбинированной четности, как предполагал академик А. М. Будкер, меняет наше философское представление о возможности полного превращения вещества в энергию в соответствии с формулой Е=mс²".

Антисигма-минус-гиперон

Коллектив научных работников Объединенного института ядерных исследований в Дубне, в который вошли советские ученые академик В. И. Векслер, доктора физико-математических наук А. А. Кузнецов и М. И. Соловьев, кандидаты физико-математических наук Н. М. Вирьясов и Е. Н. Кладницкая и сотрудник института А. В. Никитин, совместно с учеными ряда социалистических стран открыли неизвестное ранее явление образования и распада элементарной частицы антисигма-минус-гиперон.

Это явление было впервые обнаружено при исследовании взаимодействий отрицательных пи-мезонов с атомами вещества. Пучок пи-мезонов получался в результате соударения ускоренных на синхрофазотроне до энергии 10 млрд. эВ протонов с ядрами мишени из бериллия, после чего он направлялся в пузырьковую камеру. Было проанализировано 40 тыс. полученных стереофотографий.

Открытая частица относится к гиперонам - частицам более тяжелым, чем протоны и нейтроны. До описываемого открытия физикам были известны частицы, называемые сигма-гиперонами, существующие как положительно и отрицательно (сигма-минус-гипероны) заряженными, так и в нейтральном состоянии.

Из теории было ясно, что и для сигма-минус-гиперона должна найтись античастица. Однако до марта 1960 г. существование такой частицы экспериментально не было доказано.

Открытие ученых Дубны зарегистрировано под № 59 с приоритетом от 24 марта 1960 г. в такой формулировке:

"Экспериментально обнаружено ранее неизвестное явление образования и распада заряженной частицы антисигма-минус-гиперон с массой, в 2340 раз большей, чем масса электрона, положительным зарядом, временем жизни, равным десятимиллиардной доле секунды, и распадающейся на положительный пи-мезон и антинейтрон".

Явление образования антигелия-3

Группа физиков Института физики высоких энергий, куда вошли член-корреспондент АН СССР Ю, Д. Прокошкин, кандидаты физико-математических наук С. П. Денисов, В. М. Кутьин, Л. Г. Ландсберг, В. П. Рыкалин, Р. С. Шувалов и научные сотрудники Ю. М. Антипов, Н. К. Вишневский, Ю. П. Горин, С. В. Донсков, Ф. А. Ёч, Г. Д. Жильченкова, А. М. Зайцев, В. А. Качанов, В. Г. Лапшин, А. А. Лебедев, А. Г. Морозов, А. П. Петрухин, Е. А. Разуваев, В. П. Соляник, Д. А. Стоянова и В. П. Хромов, добилась замечательного достижения - на Серпуховском ускорителе протонов получено антивещество антигелий-3.

Антиядро изотопа гелия-3 просуществовало, возможно, всего миллионную долю секунды, но его физические характеристики зафиксированы сложнейшей аппаратурой, разработанной и изготовленной группой советских специалистов. Это завоевание ядерной физики подтверждает реальность существования антивещества, задолго до этого предсказанного теоретически.

Французская газета "Франс суар" в статье "Новый шаг в разгадке тайн материи", опубликованной в 1971 г., отмечает: "Все эти проблемы перестали быть монополией фантастов. Современная наука, современные технические возможности уже доказали реальность и осуществимость многих казавшихся ранее фантастическими идей. Блестящий успех советских ученых в области ядерной физики - яркий тому пример!.. Успех сложнейшего эксперимента советских физиков по обнаружению антиядер изотопа гелия-3 имеет принципиальное значение. С его помощью получено научное подтверждение теоретическим концепциям существования антивещества".

Открытие советских физиков внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 104 с приоритетом от 28 января 1970 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление образования антигелия-3 - антиядра с числом антипротонов больше единицы, обусловленное сильным взаимодействием между антинуклонами".

Некоторое время спустя группа ученых лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований и Института физики высоких энергий в ходе экспериментов на Серпуховском ускорителе добилась новых важных результатов. Впервые обнаружены и зарегистрированы ядра антитрития. Успех, увенчавший исследования советских ученых, имеет фундаментальное значение для дальнейшего познания строения вещества.