Рекордно откритие на антиматерия може да ни помогне да намерим тъмната материя

При експерименти в Националната лаборатория „Брукхейвън“ в САЩ международен екип от физици откри най-тежките „антиядра“, наблюдавани някога. Малките, краткотрайни обекти са съставени от екзотични частици антиматерия.

Измерванията на честотата на образуване на тези обекти и техните свойства потвърждават сегашното ни разбиране за природата на антиматерията и ще подпомогнат търсенето на друг мистериозен вид частици тъмната материя.

Резултатите от изследването са публикувани днес в авторитетното списание Nature.

Идеята за антиматерията е на по-малко от век. През 1928 година британският физик Пол Дирак разработва много точна теория за поведението на електроните, в която прави обезпокоителна прогноза: съществуването на електрони с отрицателна енергия, което би направило стабилната вселена, в която живеем е невъзможна.

За щастие учените намериха алтернативно обяснение за тези състояния на „отрицателна енергия“: антиелектроните, или близнаците на електрона с противоположен електрически заряд. Антиелектроните са надлежно открити при експерименти през 1932 година и оттогава учените са установили, че всички фундаментални частици имат свои еквиваленти от антиматерия.

Това обаче повдига друг въпрос. Антиелектроните, антипротоните и антинеутроните би трябвало да могат да се комбинират, за да създадат цели антиатоми, а дори и антипланети и антигалактики. Нещо повече, нашите теории за Големия взрив предполагат, че в началото на Вселената трябва да са били създадени равни количества материя и антиматерия.

Но навсякъде, където погледнем, виждаме материя и само незначителни количества антиматерия. Къде е отишла антиматерията? Това е въпрос, който вълнува учените от близо век.

Днешните резултати са получени от експеримента STAR, разположен в Релативисткия колайдер на тежки йони в Националната лаборатория Брукхейвън в САЩ.

Експериментът работи чрез разбиване на ядрата на тежки елементи като урана едно в друго при изключително висока скорост. Тези сблъсъци създават малки, интензивни огнени кълба, които за кратко възпроизвеждат условията във Вселената в първите няколко милисекунди след Големия взрив.

При всеки сблъсък се получават стотици нови частици и експериментът STAR може да ги открие всички. Повечето от тези частици са краткотрайни, нестабилни образувания, наречени пиони, но от време на време се появява и нещо по-интересно.

В детектора STAR частиците преминават през голям контейнер, пълен с газ в магнитно поле и оставят видими следи след себе си. Чрез измерване на „дебелината“ на следите и на това колко се огъват в магнитното поле, учените могат да установят какъв вид частица ги е предизвикала. Материята и антиматерията имат противоположен заряд, така че техните следи ще се огъват в противоположни посоки в магнитното поле.

В природата ядрата на атомите се състоят от протони и неутрони. Можем обаче да направим и нещо, наречено „хиперядро“, в което един от неутроните е заменен с хиперон – малко по-тежка версия на неутрона.

Това, което учените постигнаха в експеримента STAR беше хиперядро, съставено от антиматерия, или антихиперядро. Всъщност това е най-тежкото и екзотично ядро от антиматерия, наблюдавано някога.

По-конкретно, то се състои от един антипротон, два антинеутрона и антихиперон и носи името антихиперводород-4. Сред милиардите произведени пиони изследователите от STAR идентифицираха само 16 ядра на антихиперводород-4.

Резултатите потвърждават прогнозите

В новата статия се сравняват тези нови и най-тежки антиядра, както и множество други по-леки антиядра с техните аналози в нормалната материя. Всички хиперядра са нестабилни и се разпадат след около 1/10 от наносекундата.

Сравнявайки хиперядрата със съответните им антихиперядра се вижда, че те имат идентични времена на живот и маси. Точно това се очаква от теорията на Дирак. Съществуващите теории също така добре предсказват как по-леките антихиперядра се получават по-често, а по-тежките – по-рядко.

Антиматерията има интересни връзки и с друго екзотично вещество – тъмната материя. От наблюденията се знае, че тъмната материя прониква във Вселената и е 5 пъти по-разпространена от нормалната материя. Никога обаче не сме успявали да я открием директно.

Някои теории за тъмната материя предвиждат, че ако две частици тъмна материя се сблъскат, те ще се анихилират взаимно и ще произведат взрив от частици материя и антиматерия. Тогава ще се получат антиводород и антихелий. Експеримент, наречен „Алфа магнитен спектрометър“ на борда на Международната космическа станция работи по този въпрос.

Ако наистина наблюдаваме антихелий в космоса, как ще разберем дали е произведен от тъмна или нормална материя? Е, измервания като това ново от STAR позволяват да калибрираме теоретичните си модели за това колко антиматерия се произвежда при сблъсъци на нормална материя. Последният документ предоставя множество данни за този вид калибриране.

Основните въпроси остават

През изминалия век научихме много за антиматерията. Все още обаче не сме се доближили до отговора на въпроса защо виждаме толкова малко от нея във Вселената.

Експериментът STAR далеч не е единствен в стремежа да се разбере природата на антиматерията и къде е отишла тя. Работата в експерименти като LHCb и Alice в Големия адронен колайдер в Швейцария ще подобри нашето разбиране, като търси признаци за разлики в поведението на материята и антиматерията.

Може би до 2032 година, когато ще се навършат 100 години от първоначалното откриване на антиматерията ще сме постигнали известен напредък в разбирането на мястото на тази любопитна огледална материя във Вселената, и дори ще знаем как тя е свързана със загадката на тъмната материя.

Тази статия е препубликувана от The Conversation под лиценза на Creative Commons.