Лекция П. Н. Пахлова "Симметрия и антиматерия".

5 сентября в рамках проекта "Публичные лекции Полит.ру" выступил доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией "физики тяжелых кварков" ИТЭФ Павел Николаевич Пахлов*

Обычно мы под симметрией понимаем геометрическую симметрию – совпадение частей фигуры относительно оси или точки. Но понятие симметрии в физике можно понимать расширенно: как неизменность физических явлений при каком-либо изменении. Эти изменения могут быть не только пространственными, но и временными. Электрические прибор будет работать, если мы включим его за тысячи километров от того места, где включали раньше. Закон Архимеда также действует на нас в ванне, как и 2200 лет назад действовал на своего первооткрывателя.

Мы привыкли определять понятия "правое" и "левое" относительно себя. Для человека, стоящего к нам лицом, то, что для нас "правое", будет "левым" и наоборот. Получатся, что "правое" и "левое" существуют для конкретного человека, а не для окружающего мира. Физические законы выполняются одинаково для движения слева направо и справа налево, волчок, раскрученный по часовой стрелке, ведет себя так же, как и тот, что запустили против часовой стрелки.

До XX века все были уверены, что при изменении пространственных координат, в том числе при зеркальном отображении, меняющем "правое" и "левое", физические процессы не меняются. Этот принцип получил название "закон сохранения пространственной четности". И механические, и электромагнитные явления ему подчинялись. Сюрприз, как это часто бывает, преподнес микромир.

В 1950-е годы физики-теоретики Ли Цзундао и Ян Чжэнин заподозрили, что при так называемых "слабых взаимодействиях", работающих при радиоактивном распаде, пространственная четность не сохраняется. Для проверки этого предположения в 1956 году был проведен эксперимент, вошедшей в историю как "эксперимент Ву". Его осуществила Ву Цзяньсюн, работавшая в США. В этом эксперименте изучался бета-распад ядер кобальта 60Co.

Чтобы выявить нарушение четности ядра кобальта ориентировали в магнитном поле. Так как тепловое движение атомов могло нарушить эту ориентацию, пришлось охладить кобальт до температуры в одну сотую кельвина – близко к абсолютному нулю, что само по себе очень сложно. При бета-распаде ядра кобальта превращались в никель с выделением электрона и нейтрино

60Co → 60Ni + e- + νe

В результате обнаружилось, что в одну сторону электронов вылетает больше, чем в другую. Если бы пространственная четность сохранялось, потоки электронов, вылетающих по направлению спина ядер кобальта и в противоположную сторону, были бы равными. Однако оказалось, что электроны "предпочитают" лететь в сторону, противоположную направлению спина. Из этого следовало, что есть некоторое фундаментальная разница между двумя направлениями, и понятия "правое" и "левое" из относительных превратились в фундаментально различные.

Ассиметрия пространства по отношению к зеркальному отображению сильно озадачила физиков. Для восстановления порядка Лев Ландау предложил понятие комбинированной четности (CP-симметрия), которая сочетает в себе симметрию в пространственном положении частицы (P) и симметрию относительно знака (С), заменяющую частицы на античастицы. В результате мир элементарных частиц, потеряв С-симметрию и Р-симметрию, всё-таки оставался симметричным относительно СР-операций.

Но, как оказалось, нашли элементарные частицы, для которых нарушается и CP-симметрия. В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили это нарушение при распаде нейтральных К0-мезонов. К0-мезон распадается на два пи-мезона с испусканием позитронов чаще, чем с испусканием электронов. Разница в частоте составляет лишь 0,3%, но это явно указывает на нарушение СР-симметрии.

А. Д. Сахаров в 1968 году предположил, что именно это нарушение СР-симметрии сделало возможным существование нашего мира. Ведь, согласно стандартной модели возникновения Вселенной, после Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии, что в дальнейшем должно было бы привести к взаимной аннигиляции и переходу всей материи в энергию. Однако мир: галактики, звезды, планеты, люди, атомы – существует, значит, вещества почему-то стало больше, чем антивещества. Сахаров выдвинул гипотезу, что из-за несимметричности частиц становилось больше, а античастиц меньше, что и повлекло за собой существование вселенной.

В лекции Павел Пахлов обратил внимание слушателей на интересное явление в психологии восприятия. Симметрия для нас – признак красоты. Но если мы сгенерируем при помощи компьютера абсолютно симметричное лицо человека, оно покажется нам неествественным и некрасивым. Симметрия лица кажется нам красивой, лишь когда она слегка нарушена. Ученый предложил аналогию этого с миром физических явлений. В природе чаще всего царит симметрия, однако, возможно, существование мира в том виде, в каком мы его знаем, возможно лишь потому, что эта в некоторых случаях эта симметрия нарушается.

О симметрии в мире элементарных частиц, ее нарушении, решенных и еще нерешенных вопросах, которые это нарушение вызывает, об антиматерии и том, как ее добывают, вы можете подробнее узнать из видеоверсии лекции П. Н. Пахлова.

Максим Руссо

*Пахлов Павел Николаевич (р. 08.11.1967) – российский физик, чл.-корр. РАН с 2011 г. Начальник лаборатории ФГУП ГНУ РФ – "Институт теоретической и экспериментальной физики". Проф. кафедры физики элементарных частиц МФТИ.

Специалист в области физики элементарных частиц. Под его руководством поставлен уникальный эксперимент по поиску пространственной анизотропии в β-распаде и получен верхний предел на эффект анизотропии с рекордной точностью. Им впервые был обнаружен процесс парного рождения чармония в аннигиляции электронов и позитронов, при этом было показано, что вероятность этого процесса на порядок величины превышает теоретические предсказания. Полученные результаты, подтвержденные позднее американскими физиками, подтолкнули десятки теоретиков к новым расчетам для объяснения этого удивительного явления. Однако, несмотря на их существенные усилия, экспериментальные результаты по-прежнему не удается точно описать теоретически. С сотр. им впервые измерены сечения и кинематические характеристики процессов е+е−→J/Ψ cc и J/Ψ gg, положившие основу для новых подходов для вычисления рождения чармония; открыты два новых состояния чармония, являющиеся кандидатами радиальные возбуждения синглетного скалярного чармония; разработан и создан прототип уникального детектора для регистрации мюонов и нейтральных каонов в условиях высоких фоновых загрузок эксперимента на супер-В-фабрике.

Руководитель группы ИТЭФ в экспериментах Belle и Belle-2.

Источник: polit.ru

Смотреть видео лекции: www.youtube.com/watch?v=_MNiZDj4ou0