Antimedžiaga iš tamsybių. Ką reiškia kosmose rastas antihelis?

Kartą per metus TKS esantis įrenginys sugauna antihelio branduolį. Kas tai yra?

Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS) jau šešerius metus vyksta pusantro milijardo dolerių kainavęs eksperimentas: AMS įrenginys aptinka iš artimo ar tolimo kosmoso atlėkusias daleles. Ir štai, Science žurnalo svetainėje publikuojamas straipsnis, kuriame Nobelio premijos laureatas, eksperimento autorius ir įkvėpėjas Samuelis T. T. Tingas pasakoja, kad kartą per metus šis įrenginys gaudo antihelio branduolį – antimedžiagos pasaulio atomą.

Dabar, kai užfiksuoti jau penki tokie įvykiai, Tingas per kelis pastaruosius mėnesius šia tema prieš kitus fizikus pasisakė jau porą kartų: Šveicarijos CERN, Didžiojo priešpriešinių srautų greitintuvo (LHC) laboratorijoje, ir MIT, – turbūt autoritetingiausiame JAV mokslų universitete. Tuo tarpu oficialaus skelbimo apie atradimą ir privalomo tokiais atvejais ataskaitos publikavimo moksliniame žurnale iki šiol nebuvo.

Kodėl šie penki antiatomai turėtų mus dominti? Nes tai, panašu, pats apčiuopiamiausias „tamsiosios materijos“ – pagrindinės kosmoso statybinės medžiagos, kurios mokslininkams iki šiol nė karto neteko pačiupinėti, pėdsakas.

Šiaip jau „tamsioji materija“ ir antimedžiaga – iš principo skirtingi dalykai, o tarp jų esantis ryšys neakivaizdus. Pradėti vertėtų nuo antimedžiagos. Mes esame sudaryti iš elementariųjų dalelių, kurios turi veidrodinį atspindį – antidaleles. Tokios antidalelių charakteristikos kaip masė ar sukinys bus tokos pačios, kaip ir atitinkamos dalelės, tačiau krūvis – priešingas: jei elektrono krūvis neigiamas, jo antimedžiaginio atitikmens – pozitrono – krūvis teigiamas. Antimedžiagą labiausiai išgarsino susinaikinimo, tai yra anihiliavimo savybė: susilietus antimedžiagai su įprasta medžiaga, išsiskiria baisingai daug energijos: Hirošimos bombos sprogimo ekvivalentui pakaktų 350 miligramų antimedžiagos.

Tik problema (o gal laimė?) – antimedžiagos kosmose kažkodėl niekur nėra. Iš principo būtų galima sukurti mūsų planetos kopiją iš antimedžiagos, ir jokie gamtos dėsniai nedraudžia egzistuoti gigantiškoms antimedžiagos galaktikoms, kurių iš pirmo žvilgsnio nepavyktų atskirti nuo įprastos galaktikos Hubble nuotraukoje. Tačiau kadangi tokių objektų nebūtų įmanoma pakabinti absoliučiame vakuume ir izoliuoti nuo likusios Visatos dalies, kur nors paribiuose antimedžiaga neišvengiamai liestųsi su medžiaga, ir nuo vykstančios anihiliacijos į visas puses sklistų kieti gama spinduliai. Tačiau antžeminiai ir orbitiniai teleskopai nieko panašaus nefiksuoja. Vienintelis tikėtinas paaiškinimas – visa, kas galėjo anihiliuoti, jau seniausiai tai ir padarė. O visas regimas pasaulis – savotiška abipusio susinaikinimo proceso liekana: tiesiog pirmosiomis minutėmis po Didžiojo sprogimo medžiagos buvo šiek tiek daugiau nei antimedžiagos ir tas „šiek tiek“ ir teišliko.

O gal kur nors Visatoje yra paslaptinga oazė, kurioje antimedžiaga visgi išliko nuo seniausių laikų? Kai kosminis dalelių detektorius buvo dar tik sumanytas, pagrindinis jo tikslas ir buvo tokių oazių paieška. Galima tarti, kad gama spinduliuose ko nors neregime, tačiau jei Visatoje antimedžiagos galaktikų vis tik esama, jų viduje privalo vykti procesai, į visas puses skleidžiantys šiek tiek antimedžiagos. Ir nors kažkiek jos tiesiog privalo atlėkti iki Žemės.

Taip praėjusio amžiaus dešimtajame dešimtmetyje svarsto AMS eksperimento autorius Samuelis Tingas – Kinijoje gimęs amerikietis fizikas, Nobelio premija apdovanotas keturiasdešimties metų amžiaus už aštuntojo dešimtmečio viduryje atrastą elementariąją dalelę J/ψ. Dalelės dažniausiai vadinamos kokia nors viena graikiška ar lotyniška raide, tačiau šiuo atveju teko vadinti per pasvirąjį brūkšnį, nes dvi grupės apie savo atradimą paskelbė tą pačią dieną. Atradėjai, Tingas iš MIT ir Bertonas Richteris iš Stanfordo, pasidalijo premiją pusiau.

Žemėje ieškoti iš kosmoso atlėkusių antimedžiagos dalelių beprasmiška – jos neištvertų skrydžio per atmosferą. 2016 metais skaitytoje lekcijoje Tingas paaiškina: „Gyvename po dešimties metrų vandens sluoksniu“, turėdamas omenyje, kad visą orą virš galvos suspaudus iki vandens tankio, toks būtų sluoksnio storis. Todėl antimedžiagos daleles reikia gaudyti ne po atmosfera, o virš jos – tai yra, kosmose.

1995 metais Tingas įtikino NASA pasiųsti į orbitą sunkų dalelių detektorių su magnetu iš superlaidininko – LHC ir kituose gigantiškuose greitintuvuose sumontuotų dalelių detektorių sumažintą kopiją. Tiesą sakant, būsimasis kosminis spektrometras buvo bandomas kaip tik 27 km ilgio LHC tunelyje po žeme Prancūzijos ir Šveicarijos pasienyje. Ši 8,5 tonos sverianti konstrukcija turėjo pakilti į orbitą dar 2003 metais. Tačiau dėl 2003 metais įvykusio „Kolumbijos“ sprogimo, skrydžių programoje buvo padaryta daugelio metų pertrauka ir mokslinis prietaisas ilgam užstrigo Žemėje. O kai jis 2011-aisiais pagaliau buvo iškeltas, jau buvo pasikeitęs astronomų supratimas, ko verta ieškoti pirmiausiai.

Antimedžiagos kosmose mažai, o štai tamsiosios materijos, atvirkščiai, daug – šešis kartus daugiau, nei įprastos materijos: 84,5% visos Visatos masės – tamsioji materija. Tačiau „daug“ nereiškia, kad mokslininkai ją yra matę ar kad bent turi supratimą, iš ko ji sudaryta. Visų pirma, ji nematoma, nesąveikauja nei su šviesa, nei su medžiaga – tokiomis savybėmis pasižyminti substancija gali eiti kiaurai sieną, ir tai niekaip nepasireiškia.

Yra įtarimų, kad ji galėtų būti sudaryta iš hipotetinių neutralino dalelių. Anihiliuodamos neutralino dalelės be viso kito, turėtų kurti ir antidaleles – antiprotonus ir antineutronus. O iš tokių antidalelių gali susidaryti antimedžiaga, pavyzdžiui, antihelis, kurį ir aptiko AMS.

Mokslininkai gali prognozuoti, kaip dažnai iš kosmoso turėtų atlėkti vienos ar kitos energijos dalelės, jeigu jos randasi iš „įprastų“, jau ištyrinėtos fizikos procesų, ir jei – iš neįprastų. Pernai metų pusvalandžio trukmės lekcijoje vokiškajame Lindau, kur susirenka dešimtys Nobelio premijos laureatų, Samuelis Tingas rodė 2015 metų grafikus, iš kurių buvo matyti, kad neįprastas scenarijus (su tamsiąja materija) – labiausiai tikėtinas. Jei mokslininkai būtų visiškai įsitikinę, kad aptiktas būtent antihelis, o ne pasireiškia kokia nors giliai paslėpta matavimo klaida, šis scenarijus galėtų įgauti jau „beveik vienintelio įmanomo“ statusą. Prieš kelis metus tokia klaida palaidojo jau paaiškintą „Didžiojo sprogimo gravitacinių bangų“ atradimą, tad mokslininkai rezultatus dažnai tikrina ir perpatikrina, neskubėdami publikuoti rezultatų.

Per šešis kosmose praleistus metus AMS užregistravo >90 mlrd dalelių, tarp kurių vos penki antihelio branduoliai (tiksliau, kažkas, panašaus į antihelį). Ar tikrai statistikai tai itin mažai? Antihelį – branduolį iš dviejų antiprotonų ir dviejų antineutronų – tik 2011 metais sugebėta gauti laboratorijoje Žemėje, ir tame eksperimente gauta 18 atomų. Tačiau tokios mažos išeigos eksperimentai Samueliui Tingui pelnė Nobelio premiją: po medalio įteikimo prieš 41 metus Stokholme skaitytoje lekcijoje (en, ru) prisiminė, kaip jam teko darbuotis su dalelių susidūrimais greitintuve, kai tarp daugybės milijardų beverčių susidūrimų pasitaikydavo po vieną naudingą per parą.

Gali būti, kad Samuelio Tingo laukia dar viena Nobelio premija: fizikams taip jau pasitaiko. Kitas reikalas, kad dabar siekiamaa kitas, konkretesnis tikslas. AMS – sudėtingas prietaisas, kurį retkarčiais reikia prižiūrėti ir aptarnauti. Trys iš keturių kriogeninių siurblių, šaldančių dalelių detektorių beveik iki absoliutaus nulio – sulūžę. Dar vienas gedimas nutrauks antimedžiagos ir tamsiosios materijos paieškas ir, savaime aišku, palaidos Nobelio premijos viltis. Balandį kaip tik paaiškėjo, kad NASA linkusi patikėti dabar TKS dirbantiems astronautams išėjimą į atvirą kosmosą ir prietaiso remonto atlikimą. Antihelis būtų stiprus argumentas, pagrindžiantis tokio remonto išlaidas, – ir rastieji penki antiatomai būtų itin laiku.

B. Kozlovskij
Colta.ru skilties „Mokslas“ redaktorius
republic.ru

   

Facebook komentarai