На пути к раскрытию тайн Вселенной ученые НИИ физики ЮФУ предложили формализм, описывающий эволюцию больших областей антивещества во Вселенной с преобладанием вещества. Данный подход позволит определить параметры, на которых основывается современная теория строения и эволюции Вселенной, и предсказать свойства небесных тел из антивещества в Галактике – источников антигелия в космических лучах.
Так художник представил себе эволюцию Вселенной и рождение эха Большого Взрыва © CfA/M. Weiss© CfA/M. Weiss
В физике микромира все заряженные частицы имеют античастицы с электрическим зарядом, противоположным их собственному. Так, античастицей электрона, который имеет заряд -1, является позитрон с зарядом +1. Анти-частичный аналог имеют и обычные формы вещества. Например, в антимире ядро гелия состоит из антипротонов и антинейтронов вместо протонов и нейтронов. При этом ядерные и электромагнитные свойства мира и антимира строго симметричны. Казалось бы, симметрия мира и антимира должна была бы приводить к их сосуществованию во Вселенной, но на их границе происходила бы аннигиляция вещества и антивещества, при которой половина их энергии покоя превращается в жесткое гамма-излучение. Измерения космического гамма-фона исключают поэтому сопоставимое количество вещества и антивещества во Вселенной.
Это наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом, известное как барионная асимметрия Вселенной, современная космология объясняет механизмом бариосинтеза – образованием избытка вещества в ранней Вселенной за счет отличия слабых и сверхслабых взаимодействий частиц и античастиц.
Однако, если бариосинтез сильно неоднороден, макроскопические области с избытком антивещества могут быть созданы в ходе того же процесса, в результате которого возникает избыток вещества во Вселенной. Эта «экзотическая» возможность существования первичных объектов из антивещества в нашей Галактике, выявленная в космомикрофизических исследованиях профессора, д. ф. -м. н., главного научного сотрудника НИИ физики ЮФУ Максима Хлопова, дала теоретические основания и стимулировала поиск ядер антигелия в космических лучах в эксперименте AMS02. На семинаре ЦЕРН 8 июня 2023 года руководителем этого эксперимента, лауреатом Нобелевской премии Сэмюэлем Тингом были представлены первые указания на подтверждение такой возможности.
На семинаре Тинг презентовал последние результаты уникального международного эксперимента AMS02 по точному определению состава и спектра космических лучей на Международной космической станции. Особую роль в его экспериментальной установке играет магнитный спектрометр, который позволяет измерить не только массу и энергию заряженных частиц, но и знак их заряда, так как частицы с зарядом противоположного знака отклоняются в магнитном поле установки в разные стороны.
Эксперимент уже открыл целый ряд новых явлений физики космических лучей и в том числе показал событие, отвечающее регистрации прохождения в установке ядра антигелия. До сих пор считалось, что компонента антигелия не должна наблюдаться в космических лучах, поскольку ее ожидаемый поток от естественных астрофизических источников предсказывается в миллионы раз меньше, чем был зарегистрирован в эксперименте AMS02.
В то же время, развивая отечественные исследования о возможности существования макроскопических объектов из антивещества, ученые Научно-исследовательского института физики ЮФУ разработали формализм описания эволюции структуры доменов антивещества в окружении вещества.
Новый формализм учитывает эволюцию областей антивещества и аннигиляцию с веществом, происходящую на их границах.
«С помощью нашего метода можно изучать структуры указанных областей, включая области очень высокой и сверхвысокой плотности антивещества, а также выводить уравнения, описывающие их эволюцию в расширяющейся Вселенной», – указал профессор Максим Хлопов.
Этот метод будет использоваться для разработки космологических сценариев, которые будут связывать процессы, происходящие в очень ранней Вселенной, с предсказанными формами и свойствами макроскопической компоненты антиматерии, присутствующей в нашей Галактике.
По словам профессора, результаты исследования позволят связать классы моделей физики, привлекаемые современной космологией для описания структуры и эволюции Вселенной с предсказанием форм макроскопического антивещества в Галактике, которые могли бы объяснить источник антигелия в космических лучах.
«В контексте наших исследований подтверждение существования космического антигелия в эксперименте АМS02 позволит определить с астрономической точностью параметры моделей новой физики, лежащих в основе современной теории Вселенной», – отметил Максим Хлопов.
Может ли отмеченная С. Тингом регистрация прохождения в установке ядра антигелия быть вызвана неправильной траекторией одного из зарегистрированных десятков миллионов ядер гелия? По словам Тинга на семинаре ЦЕРН, исследователи исключили любую фоновую интерпретацию этого события. Они также планируют провести дополнительные исследования в ближайшие годы, прежде чем официально объявить об открытии космического антигелия.
«Мы считаем, что это время можно использовать для всестороннего анализа ожидаемых результатов с целью решения проблем космомикрофизики. Наша работа нацелена на установление логической цепочки образования доменов антивещества в ранней Вселенной через их эволюцию в окружающем веществе и определение возможных форм небесных тел из антивещества в нашей Галактике – источников космического антигелия», – дополнил Максим Хлопов.
Результаты исследования, проводимого в лаборатории космомикрофизики НИИ Физики ЮФУ при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (Госконтракт ГЗ0110/23-10-ИФ), изложены в журнале Galaxies.