Великий Вибух – початок Всесвіту – справив речовина і антиречовину в рівних кількостях. Але наш теперішній світ на це не схожий. Антиречовина надзвичайно рідкісне. Це величезна загадка, – каже Айхон Тан, фізик з Брухейвена, що бере участь в аналізі даних, зібраних детектором STAR коллайдера релятивістських іонів (RHIC). – І хоча ця загадка була відома десятиліттями, вона й донині залишається однією з найбільших проблем науки, виникало мало здогадок на цю тему. Все, що ми дізнаємося про природу антиречовини, теоретично може внести вклад у вирішення цієї задачі.

Вдивляючись у осколки зіткнень частинок, які відтворюють умови дуже ранньому Всесвіті, вчені вперше виміряли силу взаємодії між парами антипротонів. Подібно силі, яка утримує звичайні протони разом в ядрах атомів, сила між антипротонами приваблива і потужна.

Експерименти проводилися на прискорювачі RHIC за сприяння Брукхейвенській національній лабораторії Міністерства енергетики США, в рамках досліджень ядерної фізики. Висновки, опубліковані в журналі Nature, можуть пролити світло на великі шматочки антиматерії, включаючи ядра антиматерії, раніше виявлені на RHIC, і допомогти вченим відповісти на одне з найбільших питань в науці: чому у світі практично немає антиречовини.

RHIC — ідеальне місце для дослідження антиречовини, оскільки це одне з небагатьох місць на Землі, де можна створити цю рідкість в достатній кількості. Робиться це за рахунок зіткнення ядер важких атомів кшталт золота між собою майже на швидкості світла. Ці зіткнення виробляють умови, дуже схожі на ті, що панували у Всесвіті мікросекунди після Великого Вибуху — при температурі 250 000 разів вище, ніж в центрі Сонця, коли все було укладено в розміри єдиного атомного ядра. Ця енергія, упакована в крихітний простір, створює плазму з фундаментальних будівельних блоків матерії, кварків і глюонов, і тисячі нових частинок — матерії і антиматерії, в рівних кількостях.

«Ми скористалися можливістю провести достатню кількість антиречовини, щоб провести це дослідження», — говорить Тан.

Група STAR раніше вже виявляла і вивчала рідкісні форми антиматерії — включаючи анти-альфа-частинки, найбільші ядра антиматерії, які коли-небудь створювалися в лабораторії, кожне складається з двох антипротонів і двох антинейтронов. Ці експерименти дали деяке розуміння того, як антипротоны взаємодіють у таких великих складових об’єктах. Але в тому випадку

«сила між антипротонами є сукупністю взаємодій з усіма іншими частинками», говорить Тан. «Ми хотіли вивчити просте взаємодія незв’язаних антипротонів, щоб отримати чистий вид цієї сили».

Щоб зробити це, вони шукали в даних золото-золотих зіткнень в STAR пари антипротонів, які були досить близько, щоб взаємодіяти, коли виходили з вогняного кулі початкового зіткнення.

«Ми бачимо, як безліч протонів, основних будівельних блоків звичайних атомів, виходить назовні, і бачимо майже така ж кількість антипротонів, — каже Чжэньквяо Чжан, аспірант групи професора Ю-Ганг Ма з Інституту прикладної фізики Shanghai при Китайській академії наук, що працює під керівництвом Тана Брукхейвені. — Антипротоны виглядають подібно знайомим нам протонів, але оскільки є антиречовину, їх заряд не позитивний, а негативний, тому вони викривляються протилежним чином в магнітному полі детектора».

«Дивлячись на ті, які вдаряються між собою в детекторі, ми можемо виміряти кореляції в певних властивостях, які дають нам уявлення про взаємодію між парою антипротонів, включаючи його силу та діапазон, в якому воно проявляється», — додає він.

Вчені виявили, що сила, що діє між парами антипротонів, притягує, подібно сильній ядерній взаємодії, яка утримує звичайні атоми разом. Враховуючи те, що вони вже виявили пов’язані стану антипротонів і антинейтронов — ядер антиречовини — це не дивно. Коли антипротоны знаходяться близько один до одного, сильна взаємодія долає тенденцію однаково (негативно) заряджених частинок відштовхувати один одного подібно до того, як дозволяє позитивно заряджених протонів зв’язуватися в ядрі звичайного атома.

Насправді, ці вимірювання не показують різницю між матерією і антиматерией щодо поведінки сильної взаємодії. Тобто, в межах точності цих вимірювань, речовина і антиречовину здаються абсолютно симетричними. Це означає, що принаймні з точністю, якій вдалося досягти вченим, можна стверджувати, що асиметричними примхами сильної взаємодії не можна пояснити переважну більшість речовини у Всесвіті і відсутність в ній антиречовини.

Але вчені відзначають, що ми не знали б цього, якби не провели експерименти.

«Є багато способів перевірити асиметрію речовини/антиречовини, і є більш точні тести, але в доповнення до точності важливо перевірити її якісно різними способами. Цей експеримент являє собою якісно новий тест», — говорить Річард Ледницкий, вчений STAR з Об’єднаного інституту ядерних досліджень у р. Дубна при Чеської академії наук.

«Успішна реалізація методики, використовуваної в цьому аналізі, відкриває захоплюючі можливості для вивчення деталей сильної взаємодії між іншими рясно виробленими видами частинок», — каже він, зазначаючи, що RHIC та БАК чудово підходять для таких вимірів, які складно провести іншими способами.