Антибарионная материя¶

Антибарионная материя — это форма материи, составленная из антибарионов, то есть античастиц барионов. Барионы — это класс адронов, включающий протоны и нейтроны, состоящие из кварков. Их античастицы, антибарионы, обладают противоположными значениями барионного заряда, изospина и странности, при этом масса и время жизни совпадают с соответствующими барионами. Наиболее распространённые антибарионы — антипротон и антинейтрон, составляющие ядра антигелия-4 (антиальфа-частицы).

¶Состав и свойства

Антипротон состоит из трёх антикварков (антиап и два антидаун-кварка), антинейтрон — из одного антидаун-кварка и двух антиап-кварков. Антибарионы подчиняются тем же фундаментальным взаимодействиям, что и барионы: сильному, слабому, электромагнитному и гравитационному. Согласно теории CPT-инвариантности, античастицы обладают точно такой же массой, что и соответствующие частицы, но противоположным электрическим зарядом, магнитным моментом и другими квантовыми числами.

При контакте антиматерии с обычной материей происходит аннигиляция — взаимное уничтожение с превращением массы в энергию фотонов и других частиц. Энергия аннигиляции протона и антипротона составляет около 1,88 ГэВ, что существенно превышает энергию химических реакций. Аннигиляция протон-антипротон рождает преимущественно пи-мезоны, которые затем распадаются на мюоны, нейтрино и гамма-кванты.

¶Получение в экспериментах

Антибарионы впервые были обнаружены в космических лучах: позитрон открыт Карлом Андерсоном в 1932 году, антипротон — в 1955 году группой Эмилио Сегре и Оуэна Чемберлена в Беркли с помощью синхротрона Беватрон. Антинейтрон был открыт в 1956 году там же.

В лабораторных условиях антибарионы получают в столкновениях пучков обычной материи на ускорителях. На Большом адронном коллайдере (ЦЕРН, Швейцария) с помощью специального комплекса Antiproton Decelerator накапливаются и замедляются антипротоны для создания атомов антиводорода. В 2011 году коллаборация ALPHA впервые удержала атомы антиводорода в магнитной ловушке, а в 2016 году получила спектральные данные, подтвердившие, что антиводород испускает свет той же частоты, что и обычный водород.

В 2010 году коллаборация ATHENA (также на Antiproton Decelerator) впервые синтезировала несколько тысяч атомов антиводорода. В 2018 году эксперимент ALPHA-g начал изучение гравитационного поведения антиводорода. В 2023 году коллаборация BASE опубликовала результаты измерения отношения заряда к массе антипротона с точностью 16 частей на триллион, подтвердившее CPT-симметрию.

¶Антиматерия в космосе

Космические лучи содержат небольшое количество позитронов и антипротонов, образующихся при взаимодействии первичных космических лучей с межзвёздным газом. В 2011 году на борту Международной космической станции был запущен магнитный спектрометр AMS-02, который обнаружил аномальный избыток позитронов в космических лучах. Этот эффект первоначально интерпретировался как возможный сигнал аннигиляции тёмной материи, однако альтернативные объяснения связывают его с излучением пульсаров.

В 2023 году на основе данных AMS-02 были опубликованы результаты, указывающие на возможное обнаружение антиматерии в виде антигелия в космических лучах, хотя статистическая значимость этих наблюдений остаётся предметом обсуждения.

¶Антибарионная материя в теории

В современной космологии считается, что в ранней Вселенной барионы и антибарионы создавались почти в равных количествах, однако небольшое нарушение симметрии (бариогенеза) привело к тому, что вещество преобладало над антиматерией. Механизм бариогенеза описывается условиями, сформулированными Андреем Сахаровым в 1967 году: нарушение C и CP-симметрии, нарушение барионного числа и отклонение от термодинамического равновесия.

Гипотетически антибарионная материя может существовать в виде антизвёзд и антигалактик в отдалённых областях Вселенной, однако наблюдательные данные такого не подтверждают. Поиск антиядер в космических лучах остаётся активным направлением исследований.

¶Применение

Исследования антибарионов имеют прикладное значение: позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) использует позитроны в медицинской диагностике. Протонная и антипротонная терапия изучаются как методы лечения онкологических заболеваний. Аннигиляция антиматерии рассматривается теоретически как потенциально наиболее энергоёмкий источник энергии, однако практическое применение сдерживается крайне высокой стоимостью производства и сложностью хранения антибарионов.

¶Интересные факты

В 1999 году НАСА планировало запустить проект «Silver Dart» по испытанию ракетного двигателя на антиматерии, однако программа была свёрнута. По оценкам ЦЕРН, стоимость производства одного грамма антипротонов составляет порядка 62,5 триллионов долларов, что делает антиматерию одним из самых дорогих веществ во Вселенной.

Источники:

• CERN Antiproton Decelerator (официальные материалы)
• Статьи коллабораций ALPHA, BASE, AMS-02 в журнале Nature
• А. Д. Сахаров, «Нарушение CP-инвариантности, C-симметрии и нарушение симметрии между частицей и античастицей», 1967
• Б. М. Болотовский, «Современная физика антиматерии», Успехи физических наук