Об антиматерии широкие массы знают достаточно давно. Примерно с 60-х, когда вышел первый сериал Star Trek. Ведь именно антивещество является источником энергии для варп-ядра – технологии сверхсветовых путешествий в этой вселенной. Однако учёные знали об антивеществе ещё раньше.
Первым объектом, целиком составленным из античастиц, был синтезированный в 1965 году анти-дейтрон (изотоп водорода). В 1970—1974 гг. на серпуховском ускорителе были получены и более тяжёлые антиядра — трития (изотоп водорода), гелия. В 1995 году в ЦЕРНе был синтезирован атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В последние годы антиводород был получен в значительных количествах и было начато детальное изучение его свойств.
В 2010 году физикам впервые удалось кратковременно поймать в «ловушку» атомы антивещества. Для этого учёные охлаждали облако, содержащее около 30 тысяч антипротонов, до температуры 200 кельвинов (минус 73,15 градуса Цельсия), и облако из 2 миллионов позитронов до температуры 40 кельвинов (минус 233,15 градуса Цельсия). Физики охлаждали антивещество в ловушке Пеннинга, встроенной внутрь ловушки Иоффе-Питчарда. В общей сложности было поймано 38 атомов, которые удерживались 172 миллисекунды.
В мае 2011 года результаты предыдущего эксперимента удалось значительно улучшить — на этот раз было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Дальнейшие эксперименты по удержанию антивещества призваны показать наличие или отсутствие для антивещества эффекта антигравитации.
Но до сих пор учёные считали, что антивещество подчиняется тем же физическим законам, что и обычное. Как оказалось, это не так, но обо всё по порядку.
В нашей Вселенной антиматерии почти нет. Этот факт легко проверить – если бы она была в равном количестве с обычной материей, это приводило бы к аннигиляции, чего явно не наблюдается. В современной физике принято полагать, что считать, что после Большого взрыва материя и антиматерия во Вселенной существовали в равных количествах, однако теперь баланс сместился.
Этот вопрос входит в список главных загадок современной физики, но, похоже, учёных из ЦЕРНа смогли подобрать к ней ключ. Как предполагается, для материи и антиматерии действуют разные физические законы.
Предполагается, что каждой частичке обычной материи «противостоит» частичка антиматерии где-то во Вселенной. Каждому атому водорода соответствует атом антиводорода и так далее. Но тогда всё упирается в Стандартную модель, согласно которой баланс барионного (состоящего из атомов) вещества и антивещества должен сохраняться, а окружающий мир должны периодически сотрясать взрывы аннигиляции.
Международной группой учёных во главе с итальянским физиком Никола Нери из Миланского университета были проанализированы данные 2015 года, собранные детектором в ходе работ Большого адронного коллайдера. Исследователи подметили, что так называемые лямбда-барионы – сверхтяжелые частицы, состоящих из двух легких и одного тяжелого кварка, распадаются необычным образом. Иногда эти частицы иногда распадаются на четыре части – три пи-мезона и один протон, а иногда (но реже) – на два каона, пи-мезон и протон. Согласно Стандартной модели, так же должны вести себя анти-лямбда-барионы. Но показания детекторов указывают, что статистика распадов античастиц не совпадает в среднем на 10-20%.
Научным языком это звучит так – нарушение CP-инвариантности в распадах барионов — самое значительное доселе найденное проявление асимметрии между материей и антиматерией среди частиц, состоящих из трех кварков. CP-инвариантность предполагает комбинированную симметрию, то есть зеркальные отражения в поведении частиц и античастиц. Нарушение этого порядка означает наличие в природе принципиальных различий между материей и антиматерией.
Нери заявил, что уже зафиксировано более 6 тысяч подобных аномалий, а уровень достоверности составляет 3,3 сигма (единицы стандартного отклонения). В рамках физики элементарных частиц «открытием» называются те наблюдения, в которых уровень достоверности наблюдений достигает 5 сигма.
Пока ещё ждут своей очереди данные 2016 года, но, если они подтвердят новую теорию, это будет один из величайших прорывов в современной науке. Если эти данные подтвердятся, придётся пересматривать Стандартную модель и знания человечества о физике вещества и антивещества.
Кроме этого, в 2018 году работы на детекторе частиц продолжатся. До этого времени его должны обновить. Планируется изучить поведение других тяжелых барионах.
