Вещество и антивещество

Можно попытаться сохранить идею о равных количествах вещества и антивещества, принимая, что огромные объемы вещества размерами со скопления галактик перемежаются с подобными же объемами антивещества. Трудность, с которой столкнулись Бербидж и я, пытаясь объяснить, как могло возникнуть такое разделение, можно обойти, заявив, что эти объемы никогда не были перемешаны. Помимо того, что последнее утверждение совершенно искусственно и явно выбрано так, чтобы избежать наблюдательной проверки, против него имеются и возражения. Во-первых, образование (или распад) барион-антибарионной пары, как это наблюдается в эксперименте, происходит в одном и том же месте; это значит, что и барион, и антибарион появляются (или исчезают) в том же самом месте. Не может быть, чтобы барион был в одном объеме, а антибарион — в каком-то другом, удаленном от него. Следовательно, образование пар должно приводить к более или менее однородной смеси двух видов материи.

Менее эмпирическое, а значит, и более интересное возражение нашел Фейнман, в то время когда Бербидж и я занимались нашей работой. Мир, симметричный по отношению к веществу и антивеществу, был бы также симметричен и по отношению к времени. Не было бы разницы между анти-наблюдателем, воспринимающим вселенную от будущего к прошлому, и нашим обычным восприятием от прошлого к будущему. Дело в том, что частицы можно заменить на античастицы, поменяв направление времени. Однако разница сохранится из-за того, что электромагнитные процессы не меняют своего направления. Для нашего анти-наблюдателя сохранится асимметрия времени, из-за которой разбить яйцо очень просто, но собрать его вновь не могут ни герой детской песенки Хампти-Дампти, ни вся королевская рать. Анти-яйца по-прежнему будут разбиваться и не будут собираться сами собой, и направление времени при этом у них будет то же, что и у яиц в привычном нам мире. Связь асимметрии времени с асимметрией состава мира является серьезным указанием на то, что мы практически имеем дело лишь с одним видом материи.
В таких обстоятельствах, если мы продолжаем придерживаться эмпирического правила об образовании и распаде барионов, мы должны предположить, что вещество, которое мы наблюдаем во вселенной, никогда не возникало из чего-то предшествующего. В противном случае возникли бы также и античастицы. Следовательно, мы приходим к вселенной без начала, и единственной космологией, хотя бы внешне согласующейся с фактами, становится пульсирующая модель, в которой вселенная попеременно то расширяется, то сжимается. Я рассмотрю эту проблему позже и поэтому не стану углубляться в нее сейчас. Замечу лишь, что при попытке объяснить, каким образом сжимающаяся вселенная снова начнет расширяться, возникают серьезные математические трудности. Итак, закончив это длинное отступление, я возвращаюсь к космическим лучам, в частности к проблеме происхождения электронной составляющей.

Ранее мы отметили, что тяжелые ядра легко дробятся, так что присутствие тяжелых ядер в космических лучах показывает, что частицы не проходили через массу газа больше 2—3 г водорода на 1 см2 (т. е. в столбике сечением 1 см2 вдоль всего пути частицы). Теперь мы должны отметить другой факт, из которого следует, что космические лучи действительно проходили через указанное количество газа. Наряду с углеродом, азотом и кислородом (С, N, О) среди легких элементов найдены ядра лития, бериллия и бора (Li, Be, В).

Отношение числа ядер Li, Be, В к числу ядер С, N, О составляет примерно 1:3, что необычно велико по сравнению с отношениями, найденными для Солнца или Земли. Для Земли это отношение равно всего лишь около 10~6. Как можно объяснить такое удивительно высокое содержание Li, Be и В в космических лучах? Только тем, что более тяжелые ядра С, N, О были частично раздроблены. А для этого нужно, чтобы ядра С, N, О прошли через 2—За водорода.

Таким образом, вместо нашего прежнего утверждения, что космические лучи прошли не более чем через несколько граммов водорода, мы можем сказать, что они действительно прошли через такое количество вещества. Следовательно, должны были быть столкновения между космическими лучами и протонами, т. е. ядрами, из которых состоит обычный в Галактике и в пространстве вне ее водород. В частности должны были происходить столкновения между протонами космических лучей, движущимися со скоростями, близкими к световой, и протонами более или менее неподвижного газа. Вероятно, столкновения испытывают 3—4% протонов космических лучей. В результате таких столкновений должны образовываться энергичные ц-мезоны. Распад этих мезонов на электроны и нейтрино приведет к образованию электронов с высокими энергиями. Таким может быть процесс образования электронов высоких энергий, ответственных за испускание радиоволн источниками радиоизлучения. Это предположение выдвинули независимо друг от друга Бербидж и Гинзбург несколько лет назад.

Обстоятельство, на первый взгляд говорящее в пользу этой теории, состоит в том, что энергия электронов автоматически получается много меньшей, чем энергия протонов космических лучей. Это объясняется тем, что только небольшая доля протонов участвует в столкновениях, а также тем, что только какая-то доля энергии столкновения переходит к вторичному электрону (или электронам). Часть энергии сохраняется у протонов, а остальное (около 2/3) уносят нейтрино. Однако встает вопрос, будет ли остающейся энергии достаточно для электронов. По моим расчетам, возможен дефицит энергии в 3—10 раз. Сходный результат получили Гинзбург и Сыроватский, хотя в своей последней работе Бербндж и Гулд приходят к выводу, что энергии, переходящей к электронам, может хватить, т. е. она может составлять 1 % от энергии протонов.

Более серьезную трудность для этой гипотезы составляет ожидаемое при протон-протонных столкновениях отношение электронов к позитронам. Столкновение начинается с двух протонов. Если в конце его оба протона сохраняются, то мезоны должны образоваться в равных количествах, ибо изменения суммарного электрического заряда быть не может. В итоге это приведет к равному числу позитронов и электронов. Альтернативной возможностью является то, что один или оба протона могут превратиться в какие-либо другие барионы. Только в случае 2+ заряд при превращении сохраняется. При барионных превращениях исчезает единица положительного заряда. Это должно быть возмещено появлением избыточного мезона. При превращениях же исчезают две единицы положительного заряда, которые должны быть возмещены двумя избыточными мезонами. Так как мезоны, распадаясь, в конечном счете дают позитроны, то, следовательно, число позитронов, возникающих при столкновениях протонов космических лучей с медленно движущимися ядрами водорода, должно быть больше, чем число электронов. Однако недавние наблюдения де Шона, Гильдебранда и Мейера показали, что число электронов превосходит число позитронов в отношении 2:1 или более. Фактическое отношение оказалось обратным ожидаемому. Это принципиальное расхождение убедительно показывает, что электроны, наблюдавшиеся этими авторами, не были образованы исключительно при столкновениях барионов космических лучей с окружающим газом. Наблюдения были ограничены довольно низкими для космических лучей энергиями, и нельзя пренебрегать возможностью того, что наблюдавшиеся частицы приходили преимущественно от Солнца. Но это ставит другую, едва ли не более трудную задачу, ибо испускание Солнцем позитронов высоких энергий было бы чрезвычайно трудно объяснить. Вообще говоря, если мы возьмем обычное вещество и ускорим его до высоких энергий, — а именно это и происходит на Солнце, — мы получим обычные отрицательно заряженные электроны, но не позитроны. С другой стороны, если лептоны образуются при протон-протонных столкновениях, позитроны должны оказаться в избытке. В итоге ни один процесс по отдельности не дает правильного результата. Конечно, можно было бы подобрать их комбинацию, дающую наблюдаемое отношение электронов и позитронов, а именно принять за источник позитронов столкновения, а за источник большей части электронов — ускоряющие процессы. Однако странно, что два столь различных способа получения энергичных частиц оказались приблизительно одинаково эффективными. Эта гипотеза выглядит очень искусственной.

Напрашивается мысль, что если мы начнем не с положительно заряженных протонов, а с электрически нейтральных частиц, то мы почти автоматически придем к правильному отношению. Возьмем какую-то гипотетическую нейтральную частицу (или частицы), которая не обязательно должна быть барионом. Пусть эти частицы превратятся в какую-то смесь барионов и лептонов. Тогда, поскольку барионы обычного вещества в конечном счете превращаются в положительно заряженные протоны, среди сопровождающих лептонов должен быть избыток отрицательного заряда. Однако в области высоких энергий должно возникать также и некоторое количество позитронов, например при распаде 2+ на ц+ и нейтрон.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Все о космосе
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: