Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Квантовая бухгалтерия

Протонам не даёт распадаться что-то другое. Здесь вступают в игру другие законы сохранения, совместимые с законами квантовой механики. Здесь начинается особая квантовая бухгалтерия: теперь мы должны отслеживать параметр, называемый барионным числом. Это тоже сохраняющаяся величина: мы должны наблюдать одно и то же барионное число и до, и после реакции.

Хотя выражение «барионное число» кажется ещё одним примером странного жаргона современных физиков, на деле это довольно простая вещь: барионное число системы частиц – разность количества составляющих их кварков и количества антикварков, делённая на три. Почему именно на три? Главным образом, из соображений удобства. Почти всё вещество во Вселенной состоит из протонов и нейтронов, а каждый протон и каждый нейтрон состоит из трёх кварков. Выходит, каждый нуклон имеет барионное число 1 (3 делённое на 3), а у кварков оно равно ⅓. Барионное число всех остальных фундаментальных частиц – нулевое. Античастица имеет отрицательное барионное число, равное по модулю числу сопряжённой с нею частицы: например, у антикварка барионное число —⅓, а у антипротона –1.

Вселенная в целом тоже имеет барионное число. Оно большое. И оно осталось неизменным со времён ранней Вселенной. Мы уже побывали в той эпохе, когда пытались ответить на вопрос «откуда взялось всё это вещество?» – другими словами, «откуда взялись барионы?». Тогда мы не употребляли этого термина, но вообще-то момент, когда вещество начало преобладать над антивеществом – когда кварков стало больше, чем антикварков – называется бариогенезисом. Звучит великолепно! Мы, конечно, точно не знаем, что происходило ещё раньше, во времена, куда наш взгляд уже не может проникнуть, – а как было бы замечательно, если бы можно было непосредственно тестировать теории ранней Вселенной! Но мы подозреваем, что симметрия между веществом и антивеществом была нарушена, из-за чего у нас и осталось больше кварков, чем антикварков, и мы получили огромное барионное число Вселенной. Это спонтанное нарушение симметрии очень странно даже само по себе, но вдобавок оказывается, что на сегодняшний день симметрия восстановлена: ведь ни один эксперимент не выявил каких-либо признаков несохранения барионного числа. Вопрос только в том, как долго продлится царство этой симметрии?

Точно так же, как мы принимаем принципы сохранения энергии и заряда, мы можем принять и идею сохранения массы. В школьных учебниках так и написано: вещество не может быть ни создано, ни уничтожено. Откуда взялось это правило? Конечно, из квантовой физики! В рамках представлений о четырёх фундаментальных силах и описывающей их стандартной модели у частиц нет никаких возможностей взаимодействовать так, чтобы при этом менялось барионное число системы. Другими словами, как когда-то учила Эмми Нётер, математические законы обладают симметрией, которая не позволяет барионному числу меняться: оно сохраняется. И это опять заставляет нас обратиться к загадке бариогенезиса, которая не укладывается в наши нынешние физические законы, построенные на сохранении барионного числа.

Сохранение барионного числа – вещь невероятно полезная. Оно позволяет охотиться за новыми частицами в физических экспериментах стоимостью в миллиарды долларов, в ходе которых при столкновениях образуются целые каскады частиц. Да и делать домашние задания по квантовой физике оно тоже помогает. Сейчас мы посмотрим, справитесь ли вы с небольшой, но непростой викториной. Готовы? Первый вопрос: возможно ли взаимодействие протон + нейтрон → протон + протон + антипротон? Хм. Слева положительный заряд и справа тоже положительный – вроде, всё нормально. Но слева у нас 2 бариона, а справа 2 минус 1 барион – остаётся 1 барион. Значит, барионное число не сохраняется. Нет, такого взаимодействия быть не может!

Хорошо, второй вопрос. Может ли произойти взаимодействие протон + протон → протон + протон + протон + антипротон? Заряд сохраняется – хорошо. И барионное число теперь остаётся двойкой. Похоже, да, взаимодействие возможно. И правда, такое образование пары протон-антипротон может наблюдаться, когда сталкиваются два протона с достаточно высокой энергией. Но в этом взаимодействии количество протонов увеличилось. А если мы ищем возможности распада протонов, нужно взаимодействие, при котором количество протонов уменьшается. Но из всех барионов протон имеет наименьшую энергию. Значит, распад на что-то более энергетически благоприятное привёл бы к изменению барионного числа, а это запрещено!

Протон защищён симметрией. Или, если сформулировать ту же мысль в ключе обсуждения долгого умирания пустой Вселенной, протон обречён на бесконечную жизнь. Может быть.