Как заглянуть внутрь одного из этих зверей, чтобы посмотреть, не осциллирует ли он больше, чем другой? Ответ – нужно посмотреть, что остается после смерти, потому что таким образом можно сказать, был ли погибший K0 или его антиверсией. Если вы создаете пучок, в котором наблюдается смесь K0 и его антиблизнеца в пропорции 50:50, то вы можете сравнить смесь после гибели частиц. Если окажется другая пропорция, а не 50:50, это произойдет или потому, что в осцилляции наблюдается асимметрия, при трансформации Джекила в Хайда и наоборот: одно направление выбиралось чаще другого, или одна форма погибает быстрее или легче другой. Что бы это ни было, мы приходим к определенному выводу: материя и антиматерия различаются.
Во время серии экспериментов, проведенных в ЦЕРН в 1998 году, было обнаружено, что анти-К превращается в К немного быстрее, чем наоборот. Это доказывает наличие внутреннего направления стрелы времени даже на уровне базовых частиц, поскольку вы можете сказать, в какую сторону крутится пленка со снятым фильмом об осцилляции анти-К в К: вперед, если анти-К имеет склонность вымирать, и назад, если остается больше анти-К. Последствия таковы, что, если вы начинаете с равным количеством К и анти-К в смеси, то в конце концов получается небольшой излишек К. При короткой жизни К это мелочь, и сама по себе она недостаточна для объяснения большого преимущества материи во Вселенной. Тем не менее это доказательство в принципе того, что такая асимметрия может получиться.
Эти ключи к асимметрии материи и антиматерии появились в результате подарка природы: в дополнение к нижнему кварку и его более тяжелой странной версии мы теперь знаем, что природа на этом не остановилась. Эксперименты в Большом электрон-позитронном коллайдере показали, что в самом начале существования Вселенной были три «поколения» кварков и три поколения частиц, подобных электронам и связанных с ними нейтрино.
Если идеи, заложенные в уравнении Дирака, расширить таким образом, чтобы учитывать тот факт, что природа использует не одно, а три поколения, то оказывается, что материи и антиматерии больше не нужно быть симметричными двойниками. Эмпирическое доказательство этого было продемонстрировано в асимметричном поведении К и анти-К. В последние годы появились еще более веские доказательства после открытия того, что если странный кварк или антикварк в К и анти-К заменяется кварком или антикварком третьего поколения, получающиеся в результате В-мезоны и анти-В-мезоны демонстрируют еще большую асимметрию. Это соответствует тому, что было предсказано теоретически и доказывает, что существование трех поколений ароматов кварков во Вселенной допускает появление асимметрии между материей и антиматерией. Это также показывает, что удаленные галактики могут состоять как из материи, так и антиматерии. Нам нужен только разумный инопланетянин, чтобы задать ему вопрос. Но на всякий случай не стоит пожимать руку антиинопланетянину.
Представьте, что вы висите над планетой в очень далекой галактике. Вы не знаете, состоит ли она из материи или антиматерии, а поэтому – будет ли для вас безопасно на нее сесть. Планета заселена дружелюбными инопланетянами, с которыми вы установили радиосвязь. Они очень умны, понимают вас и настолько продвинуты, что все знают про материю и антиматерию.
Естественно, они утверждают, что состоят из материи. В конце концов было бы странно, если бы кто-то стал говорить о себе как об «анти» ком-то или имеющем «анти» что-то. Как нам определить, совпадают ли наши понятия и определения? Какие вопросы нужно задать, чтобы с абсолютной точностью выявить, что инопланетяне состоят из материи, как мы, или что они – антиинопланетяне?
Если бы материя и антиматерия всегда симметрично противопоставлялись друг другу, то этот вопрос решить было бы нельзя, только можно было бы на свой страх и риск подойти поближе или запустить крошечный непилотируемый зонд и посмотреть, что произойдет, когда он войдет в атмосферу или антиатмосферу. Хотя реакция антиинопланетян на кусок материи, аннигилирующей в их атмосфере, может оказаться не самой благоприятной, независимо от того, какими дружелюбными они казались вначале.
Однако мы знаем, что асимметрия имеет место. Она небольшая, но измеримая, и именно это могут показать электрически нейтральные К-мезоны. Они это делают при распаде, давая пион, который заряжен или положительно, или отрицательно, в компании с электроном или позитроном соответственно. Если бы материя и антиматерия были полными двойниками, то эти два распада тоже идеально совпадали бы. Но в реальности они немного отличаются друг от друга.
Нейтральный К и анти-К спаяны вместе в природе таким образом, что иногда они быстро погибают, но в других случаях живут дольше. Две возможности весьма сильно отличаются и известны как короткоживущие и долгоживущие каоны. Каждый из них демонстрирует асимметрию между материей и антиматерией, но в случае долгоживущего эффект сильнее, распад, который ведет к позитрону, слегка более вероятен, чем дающий электрон. Из двух тысяч примеров в среднем 1003 дадут позитрон, а 997 – электрон. Теперь у нас по крайней мере есть что-то для обсуждения с инопланетянами.
Вначале идентифицируйте К. Называть его так, как называем мы, бессмысленно, поскольку у инопланетян определенно будет свое название, но мы можем его идентифицировать по тому, в чем мы все соглашаемся, – его массе. Он весит немного больше, чем половина массы протона или антипротона, и его нельзя спутать ни с какими другими частицами. Так что скажите инопланетянам, что нас интересует частица, масса которой немного больше, чем половина массивной частицы, которая существует в ядре в центре самого простого атома, имеющегося у инопланетян, протона в атоме водорода (или антипротона в атоме антиводорода). Это идентифицирует К.
В дополнение к К0 без электрического заряда также есть К-плюс и К-минус с положительным или отрицательным зарядом. Так что мы должны убедиться, что мы с инопланетянами говорим об электрически нейтральной версии. Мы должны сказать, что свойство, которое удерживает атом вместе, мы называем «зарядом» – и нас интересует К, у которого нет заряда. Инопланетяне будут знать, что у этого К0 есть две формы: короткоживущая и относительно долгоживущая. Мы сосредоточим внимание на последней.
А теперь подходим к самой важной части. В нашем материальном мире (мире, где основной является материя), при распаде долгоживущего К на пион и электрон или позитрон более вероятен вариант с позитроном. Так что мы должны спросить у инопланетян: а легкая частица, которая получается чаще всего во время этих распадов, та же самая, которая встречается в ваших атомах или противоположная ей? Если инопланетяне ответят, что та же самая, то это позитрон и, соответственно, инопланетяне состоят из антиматерии, и мы можем на них смотреть, но не прикасаться к ним. Если инопланетяне ответят, что противоположная, электрон, то это значит, что они, как и мы, состоят из материи, и можно спокойно приземляться.
Тайна отсутствующей антиматерии
Антиматерия лежит в центре одной из самых больших тайн: почему ее так мало во Вселенной? По мнению большинства ученых, в результате Большого взрыва 14 миллиардов лет тому назад материя и антиматерия появились в одинаковом количестве и были идеально уравновешены. Это превращение энергии излучения в частицу и античастицу не является путешествием в один конец. Если в дальнейшем эти противоположности вступают в контакт, то они взаимно уничтожают друг друга, энергия, которая до этого была поймана в ловушку внутри них, высвобождается в виде гамма-лучей. В котле новорожденной Вселенной такие столкновения были очень широко распространены, и новорожденный материал жил недолго. Если в первое мгновение материя и антиматерия вышли из Большого взрыва в одинаковом количестве, то мгновение спустя они должны были уничтожить друг друга.
Исчезновение антиматерии – это пока неразгаданная тайна, но еще важнее кажется другой вопрос: а почему осталась материя? Возможно, дело в некотором их различии, в том, что они не являются идеальными зеркальными образами друг друга.
Мы уже знаем про мелкие различия в мире странных частиц, но базовые электроны, протоны и нейтроны кажутся идеально соответствующими своим аналогам-античастицам. Если различие и есть, мы не можем его измерить. Все в них кажется таким, как предсказывал Дирак: частицы обычной материи и их античастицы являются идеальными двойниками, или аналогами.