Антигелий

АНТИГЕЛИЙ

Вспоминая слова академика А. Ф. Иоффе о том, что сегодняшняя физика — это техника будущего, хотелось бы обсудить еще одну проблему, в решении которой не последнюю роль играет гелий, хотя сама проблема настолько далека от потребностей сегодняшнего дня, что носит едва ли не философский характер .
 
Cуществующих в природе элементарных частиц строительным материалом нашего мира избраны протоны, нейтроны, электроны и нейтрино (точнее, если следовать установившейся в физике терминологии, антинейтрино)? По-видимому, на этот вопрос ответить все же можно. Во-первых, перечисленные частицы стабильны . Во-вторых, они находятся в самых низших энергетических состояниях.
 
Но вот следующие вопросы. Почему природа предпочла то состояние вещества, структурным элементами которого являются частицы, а не античастицы (их электрические двойники) ? Случайность это или же результат заранее запрограммированной закономерности? Эти вопросы заставляют физиков либо пожимать плечами и выдвигать достаточно туманные гипотезы о том, что где-то в глубинах Вселенной, возможно, и существует антивещество, либо искать решение в теории Великого объединения слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий.
 

Окно в антимир

Что же действительно известно науке о загадочном антивеществе?
В 1928 году английский физик-теоретик Поль Дирак предсказал, что у электрона — частицы хорошо известной — должен существовать двойник, отличающийся от него только знаком электрического заряда. И поскольку электрон заряжен отрицательно, антиэлектрон, или, как его назвали, позитрон, должен иметь положительный заряд, а в остальном они должны быть сходны. Согласно теории П. Дирака, при столкновении друг с другом частица и античастица должны исчезнуть, превратиться в фотоны.
 
Некоторое время к этой идее относились довольно скептически, как к издержкам теории. Предполагали даже, что совсем необязательно вводить в физику новую частицу. Может быть, протон и есть тот самый положительно заряженный аналог электрона.
Но такой вывод из теории Дирака не следовал.
электрон и его античастица должны были обладать совершенно одинаковой массой, а протон почти в 2000 раз тяжелее электрона. В 1933 году было доказано, что антиэлектрон может существовать не только на бумаге. Первую античастицу, как впоследствии и множество других, открыли в космическом излучении.
 
Очень скоро выяснилось, что позитрон на Земле не такая уж и редкость. В 1934 году при открытии искусственной радиоактивности супруги Жолио-Кюри установили, что позитроны могут возникать при радиоактивном распаде некоторых вполне земных ядер. Во всяком случае, сегодняшняя техника располагает возможностью получать изотопы, испытывающие позитронный распад.
 
Теория Дирака оказалась справедливой не только для электрона. Любая элементарная частица должна была иметь свое отражение в зеркале электрического заряда. При встрече частица и античастица аннигилировали, т. е. взаимно уничтожались с выделением энергии, равной сумме их масс покоя. Только фотоны (т. е. гамма-кванты) ничем не отличались от антигамма-квантов.
 
Прошло более 20 лет, прежде чем удалось открыть следующую античастицу: антипротон — электрический антипод протона, входящего в состав атомных ядер. Рассчитывать на щедрость космического излучения, подарившего в свое время ученым позитрон, особенно не приходилось, хотя впоследствии их и наблюдали, правда редко, в составе космического излучения. А для рождения античастиц в ядерных реакциях нужны были очень высокие энергии: ведь одновременно с античастицей возникала и сама частица, т. е. происходил процесс, обратный аннигиляции.
 
Открытие антипротонов связано с именами американских физиков Э. Сегре и О. Чемберлена, которые в 1955 году, после запуска мощного ускорителя заряженных частиц в Беркли, осуществили такие ядерные реакции. В 1956 году были открыты искусственно созданные антинейтроны.
Нейтрон, как известно, лишен электрического заряда. Не будет ли нейтрон тождествен антинейтрону, как, например, фотон антифотону? Оказалось, что нет. Дело в том, что процесс перехода частицы в античастицу, в какой-то мере подобный отражению в зеркале, меняет не только знак электрического заряда, но и знаки других квантовых чисел, в частности барионного заряда и странности. Барионный заряд протона и нейтрона равен единице, а антипротона и антинейтрона — минус единице.
Обнаружение античастиц рассматривалось как безусловная победа теоретической мысли и торжество экспериментального искусства. Но настоящее антивещество должно было начаться с синтеза, как минимум, антидейтерия.
 

Осколки антимиров

Могут ли существовать связанные состояния антинуклонов, т. е. антиядра, обладающие теми же свойствами, что и ядра обычные? На этот вопрос должен был ответить эксперимент.
В 1965 году в Брукхейвене (США) были получены ядра антидейтронов. Пороговая энергия рождения тяжелого изотопа водорода составляла 15 млрд. эВ. Но оказалось, что преодолеть энергетический барьер недостаточно. Нужно было и существенно повысить точность эксперимента. Дело в том, что антидейтроны появлялись в ядерных реакциях в 10000 раз реже, чем антипротоны.
 
На очереди был антитритий. Хотя экспериментаторы и располагали достаточной для его образования энергией, антитритий был настолько редким гостем, что американским физикам его вообще не удалось зарегистрировать. Антитритий получили позднее на серпуховском ускорителе. Но тяжелый антиводород, состоящий из одного антипротона и двух антинейтронов, еще не замыкает таблицу антиядер.
Следующим в таблице Менделеева стоит пока антигелий-3, открытый советскими физиками в 1970 году. Этот изотоп, состоящий из двух антипротонов и двух антинейтронов, появляется в нашем мире в 10 000 раз реже, чем антидейтрон.
 
Расчеты показали, что., на встречу в экспериментах с другими изотопами антимира,- более тяжелыми чем антигелий -3, надеяться пока не приходится. Во-первых, возрастает энергетический порог рождения более тяжелых антиядер. Во-вторых, с увеличением массы изотопа только на одну нуклонную массу вероятность его рождения падает в 10 000 раз. И если антидейтрон рождается в 10000 раз реже, чем антипротон (при соответствующих энергиях), то антигелий-3 рождается уже в 10000 раз реже, чем антидейтрон, и в 100 млн. раз реже чем антипротон. И так далее. И хотя в серпуховском эксперименте энергии ускоренных протонов было вполне достаточно для образования антигелия-4 (порог 45 млрд. эВ), ни одной альфа-античастицы зарегистрировать не удалось.
 
Простейший  расчет, показывает,  что пороговая энергия образования антиурана, например, хотя и очень велика (примерно 60000 ГэВ) и для земных ускорителей пока недостижима, но в космическом излучении такие энергии встречаются. Однако вероятность образования антиурана в ядерных реакциях, составляет 10⁹⁵⁰ от вероятности рождения нуклон-антинуклонных пар. Очевидно, этот процесс столь редок, что он вообще никогда не сможет реализоваться в природе, даже если мишенью будет служить все вещество Вселенной, а снарядами все космическое излучение с достаточными для образования ядра антиурана энергиями и если этот «эксперимент» будет длиться с момента возникновения Вселенной, т. е. в течение доброго десятка миллиардов лет.
Наш мир как бы не принимает антимир. Кстати, и антимир столь же «негуманно» относился бы к по-явлению представителей нашего вещества в его владениях. Но означает ли. это, что антимиры или, точнее, антивещество в макроскопических количествах не существуют в природе?
 

Поиски во Вселенной

Возможны ли такие гигантские скопления антивещестм? Может ли существовать антиматерия в макроскопических количествах не как лабораторное чудо — продукт сверхдорогих и экзотических экспериментов, а как полноправное физическое явление? Антивещество в его естественном состоянии? Существует ли оно, и если да, то каковы надежды на его обнаружение?
Когда проблема античастиц потеряла свою актуальность и все» что можно было открыть на Земле, открыли, на первое место выдвинулась другая проблема — существование антиматерии в масштабах Вселенной. С точки зрения физики вещество и антивещество абсолютно равноправны. Но обнаружить антивещество во Вселенной прямыми методами астрономии едва ли возможно. А непосредственное столкновение его с обычным веществом приводит к уничтожению того и другого. Достаточно же удаленный от нашего мир, состоящий из антипротонов, антинейтронов и т. д., ничем себя не выдает. Все переходы в антивеществе сопровождаются вылетом электромагнитного излучения, которое невозможно отличить от того, что происходило бы в нашем мире, сотканном из протонов, нейтронов и электронов. Фотоны, как мы уже знаем, для всех миров едины. Антизвезда светила бы так же, как и обычная звезда на нашем ночном небе. Свет, приходящий я от далеких, и от близких звезд, ничего не говорит о том, из чего эти звезды сделаны.
 
Однако ситуация с поисками антимиров не совсем уж безнадежна. И прежде всего на помощь может прийти космическое излучение, которое академик В. Л. Гинзбург недаром назвал пульсом Вселенной. По современным представлениям основная масса космического излучения образуется при взрывах сверхновых. И если во Вселенной имеются облает, занятна антивеществом, то именно среди частиц космического излучения надо  искать посланников антизвёзд .
 
Когда физики получили возможность размещать свою аппаратуру на искусственных спутниках Земли и других космических аппаратах, то в первичном космическом излучении стал интенсивно искать антиядра, Аннигиляционный изрыв, вызванный попаданием в детектор антиядра, позволит с высокой степенью надежности идентифицировать его.
Однако чуда не произошло: ни один посланец антимиров в земные детекторы не попал. Это, конечно, не означает, что античастиц в составе космического излучения нет вообще. Скорее, это означает, что антиядер очень мало и что за время проведения экспериментов они просто могут не появиться в исследуемом участке пространства.
 
Наибольшая точность оценки верхнего предела антиядер в составе первичного космического излучения была достигнута в экспериментах ленинградского физика Н. С. Ивановой. Фотоэмульсионные камеры путешествовали вместе со спутниками «Космос-213», «Союз-5» и автоматическими межпланетными станциями «Зонд-5» и «Зонд-7». Было установлено, что доля антиядер в составе первичного космического излучения должна быть меньше 0,07 %.
А вот о наблюдении антипротонов среди космического излучения сообщали многие, но, как показали расчеты, эти антипротоны никакого отношения к антимирам не имеют. Они рождаются в ядерных реакциях между космическими частицами и межзвездным веществом.
 
Еще один источник информации об антизвездах — это нейтрино, сопровождающие термоядерный синтез антизвезд (нейтрино и антинейтрино —различные частицы). Но трудности, связанные с регистрацией нейтрино от Солнца, что нейтринная астрономия справится с задачей поиска антимиров еще очень и очень не скоро.
 

Зарядовая асимметрия Вселенной

Убийственная строгость цифр вряд ли охладила воображение фантастов, но физиков переориентировала на решение других проблем. Поиски сигналов от антизвездных систем уступили место выяснению вопроса: почему же этих антизвездных систем нет, а точнее, почему наша Вселенная зарядово несимметрична? И было ли так всегда? Ведь в первые мгновения эволюции Вселенной частицы и античастицы были равноправны .
 
Все данные, которыми располагают физики и астрономы, свидетельствуют о том, что в доступном изучению пространстве антивещества в макроскопическом количестве нет. Что касается Галактики, к которой принадлежит наша Солнечная система, то, если собирать, как говорится, с миру по нитке, то во всей Галактике едва ли найдется всего-навсего 1 млн. античастиц.
Возникает вопрос: если Вселенная в целом зарядово несимметрична и ее барионный заряд отличен от нуля, т. е. нуклонов больше, чем антинуклонов, то как это совместить с зарядовой симметрией элементарных частиц в микромире? Если же с «самого начала» Вселенная была симметрична относительно вещества и антивещества которое исчезло в процессе аннигиляции (вот почему мы его и не наблюдаем) , то каким образом остался избыток барионов, давший начало нашему миру.
 
Для объяснения наблюдаемой  барионной асимметрии Вселенной было выдвинуто немало гипотез. Некоторые из них не выдержали испытания временем,  например предположение о, пространственном, разделении вещества и антивещества в масштабах Вселенной. Предполагалось, что за избыток барионов могут быть ответственны испаряющие их черные дыры — объекты пока гипотетические. Возможно, что несохранение барионного , заряда и нарушение некоторых общих принципов, называемых С-, CP- и СРТ- инвариантностью, уже имеет место и при взаимодействии элементарных частиц. Но поскольку эти процессы редки, заметны они могут быть, лишь в масштабах Вселенной. Все это может. привести к очень незначительному различию масс и, времени жизни протонов и антипротонов, что в конечном итоге даст необходимый для объяснения картины, мира избыток барионов.  А пока теоретики поисках  истины проводили очередную ревизию, законов ,природы, экспериментаторы смогли создать ядра антигелия-3, микроскопические осколки антимиров.
 

Гелий в странном мире

Основным строительным   материалом   атомных ядер служат, как известно, протоны и нейтроны. Именно их комбинации дают начало атомным ядрам химических элементов —и тех, что мы наблюдаем в природе, и тех, что получены в лаборатории. Однако в природе существуют и другие элементарные частицы. Их число уже давно превысило «население» периодической системы химических элементов. Нет ли среди этих многочисленных  сгустков  материи других претендентов на роль кирпичиков мироздания.
Оказалось, что есть. В 1952 году польские финики М. Даныш и Е. Пневский обнаружили на фотопластинке, подвергшейся воздействию космического излучения в стратосфере, след необычной частицы. Ее, по-видимому, оставило ядро, принадлежащее химическому элементу с №5. Но короткий след свидетельствовал о крайне малом времени жизни частицы— примерно 10¹² с. Анализ показал, что след на фотопластинке действительно оставило ядро бора. Но один из нейтронов в этом ядре был заменен странной частицей — Λ-гипероном, распад которого и означал окончание жизни самого ядра.
 
Существования таких ядер теория не запрещала. Их назвали странными или гиперфрагментами (гиперъядрами) . В самом деле, если исключить специфическое свойство гиперонов — странность (и их нестабильность), то в остальном они оказывались очень похожими на нуклоны. Было время, когда в физической литературе Λ -гипероны называли возбужденным состоянием нуклонов.
Существуют ли странные миры в природе —неизвестно, но сконструировать в лаборатории ядра, где гипероны частично или полностью заменили нуклоны, оказалось вполне возможно. И действительно, очень скоро стали вырисовываться контуры гиперядерного — странного— мира. Открытие польских физиков было подтверждено другими исследователями. Собственно гиперядер никто не наблюдал и не мог наблюдать, ибо гиперядерный мир существует в сильно сжатой относительно нашего мира шкале времени. Наблюдали только их следы, оставшиеся, как путешествующий по Вселенной свет давно погасших звезд, в цепкой памяти фотопластинок. На самом деле странный мир, по-видимому, столь вне населен изотопами, как и протонно-нейтронный. Таблица изотопов отражает лишь то, что надежно известно. И эта таблица не ограничивается гиперазотом. В экспериментах были получены и гипер-галюминий, и гиперцинк, и гиперпалладий, и даже гипервисмут.
 
При сравнении таблиц изотопов обычного и странного миров обнаруживается любопытная особенность. Карта изотопов в гипермире как бы трансформируется: в мире странности возможны необычные для нашего мира изотопы, а стабильность обычных и соответствующих им гиперъядер оказывается различной. Например, гипердейтрон — одну из простейших систем, состоящую из протона и Λ-гиперона, никто не наблюдал. Во всяком случае, эта система живет не более 10²³ с, т. е. оказывается ядерно-нестабильной.
 
Водород в странном мире представлен двумя изотопами: Λ³Н эквивалентным нашему тритию, и ΛН, не имеющим аналогов среди изотопов обычного водорода. А вот ядро бериллия-8 в нашем мире отсутствует. Образованное при радиоактивном распаде лития-8 или бора-8, оно мгновенно, что на языке физики означает за 10²³ с, распадается на две альфа-частицы (вспомним протон-протонный цикл в звездах). В странном же мире ядро бериллия-8 — полноправный член общества, т. е. оно существует, пока не распадется входящая в его структуру Λ-частица.
Не повезло в нашем мире и массовому числу пять. Ни среди стабильных, ни среди радиоактивных изотопов нет обладателя пяти нуклонов.
Эти особенности нашего и гиперядерного миров легко понять, используя современные представления о ядерных силах. В микромире действует принцип Паули, согласно которому две одинаковые частицы, находящиеся в одном состоянии в ядре, должны иметь противоположные спины. Рассмотрим ядро гелия-4: В обычном мире оно состоит из двух протоновой двух нейтронов, имеющих противоположно направленные спины. Это состояние укомплектованности. И поэтому следующий,  пятый,  нуклон  может занять только более высокое энергетическое состояние. Но этот пятый нуклон будет слабее связан с остальными четырьмя, которые находятся на низшем энергетическом уровне и новое ядро (телий-5, если к заполненному состоянию прибавить нейтрон, или литий-5, если добавить протон) обязательно окажется нестабильным. Однако на Λ-частицу принцип Паули  н е     распространяется — это   «частица   другого сорта» . Поэтому   к заполненному   энергетическому состоянию , укомплектованному двумя протонами и двумя нейтронам и, всегда можно прибавить по крайней мере еще одну частицу «другого сорта» .
 
Отсюда вытекает и «стабильность» гипергелия-5, в нашем мире фигурирующего в основном как продукт теоретической мысли.
Жизнь гиперядер длится миллиардные доли секунды. Можно ли говорить о существовании мира, если между его рождением и распадом лежит столь ничтожный отрезок времени? Этого мгновения явно недостаточно, чтобы выйти из плазменного состояния — обрасти электронными оболочками, образовать химические соединения не говоря уже о более сложных этапах эволюции. Однако в шкале ядерного времени, где единицей отсчета служат уж упоминавшиеся 10²³ с, гиперядра оказываются своеобразными долгожителями. Еще одна интересная особенность в гиперядерном мире нет радиоактивности . Будучи нестабильными по отношению к обычным ядрам, в рамках своей временной шкалы, гиперядра стабильны . Во всяком
случае, никаких явлений, свидетельствующих о радиоактивных распадах или процессах деления, в гиперядерном мире не обнаружено. Скорее всего потому, что это очень медленные процессы. Все распады гиперядер инициированы, как правило, либо непосредственным распадом Λ-частицы, либо ее взаимодействием с нуклонами ядра.
 
Удалось сделать некоторые предсказания относительно свойств гиперъядер.  Одно из них касается возможного существования двойных : гиперфрагментов, т. е. ядер, содержащих не одну, а сразу две Λ-частицы. Конечно, это событие еще более редкое, чем появление «простых» гиперъядер. Свойства таких ядер еще более необычны.
 
Во-первых, сверхстранные ядра будут долгожителями, а может быть, и вообще стабильными. Значит, открывается возможность их поиска в явлениях космического масштаба. Во-вторых, таблица изотопов сверхстранных ядер представляется еще более богатой. Например, массовое число четыре представлево в протон-нейтронном мире одной только альфа частицей; в гиперъядерном мире — двумя  изотопами ΛН и ΛНе. В сверхстранном мире 28 комбинаций гиперонов претендует на роль аналога нашего гелия. На Земле такие ядра в естественных условиях не обнаружены, а найдутся ли они в космосе, покажет время.
Но если этот сверхстранный мир все же существует, то физикам непонятно, зачем он понадобился природе. Не для развлечения же и умственных упражнений теоретиков , как резонно заметил один из них. Ведь четырех частиц: протона; нейтрона, электрона и антинейтрино — вполне  достаточно, чтобы построить наш мир, создать молекулы и атомы, заставить светить Солнце и другие звезды. Ответить на этот вопрос предстоит физике будущего».
Статья на тему Антигелий