В основе большинства физических теорий лежит понятие симметрии. Ученые, впрочем, понимают его несколько шире, чем геометрическое представление, с которым мы сталкиваемся в обычной жизни (осевая, центральная, поворотные симметрии). Они же под симметрией понимают некоторое нетривиальное преобразование, сохраняющее в некотором смысле законы, описывающие тот или иной процесс. Например, правила, управляющие движением самолета, не зависят от того, летит он с юга на север или с запада на восток. Если говорить более общо, то это иллюстрация понятия изотропности нашего трехмерного пространства – отсутствия в нем особых направлений, вдоль которых законы природы имели бы другую формулировку, нежели в остальных направлениях (на самом деле, конечно, есть финслерова геометрия, в которой этот принцип не выполняется, однако не будем забегать в такие научные дали).

Это понятие, понятие симметрии, играет фундаментальную роль не только потому, что гарантирует красоту получаемых уравнений. Оказывается, фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и других физических величин являются прямым следствием наличия симметрий (непрерывных групп симметрий, если быть точным). Этот основополагающий для всей физической науки факт был установлен в начале XX века Эмми Нетер. 

В физике элементарных частиц, о которой и пойдет речь, существуют три основных типа симметрий. Первый тип – это так называемая C-симметрия, от английского charge, что значит заряд. Наличие этой симметрии означает, что законы физики не меняются, если всюду в системе поменять заряды частиц на противоположные, изменив также направления магнитных и электрических полей. Например, утверждение «одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются» можно рассматривать как простейший пример физического закона, удовлетворяющего требованию C-симметрии. Действительно, одноименные заряды остаются одноименными после одновременной перемены знака, равно как и разноименные остаются разноименными.

Второй тип симметрии – это так называемая T-симметрия. Суть ее заключается в том, что при изменении направления течения времени на противоположное закон, описывающий движение частицы, не меняется. Примером такого правила может служить второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение. Чтобы понять, почему это так, представим фильм, который проигрывают задом наперед – это и будет изменение направления течения времени на противоположное. По экрану задом едут машины, пятятся люди. Вместе с тем, делают они это на той же скорости, что и при правильном просмотре фильма, – изменилось только направление. С точки зрения физики это означает, что скорость изменила знак. Ускорение, то есть скорость изменения скорости, остается тем же – по сути ровно потому, что минус на минус дает плюс. Этот факт и влечет инвариантность второго закона Ньютона. Впрочем, этот тип симметрии нам дальше почти не понадобится.

Наконец, третий тип фундаментальной симметрии в мире элементарных частиц – это P-симметрия. Чтобы понять, что это за тип симметрии, достаточно взглянуть на собственные руки. Их две – правая и левая. При этом, как бы мы ни старались, ни крутили правой рукой, мы не сможем сделать так, что она станет выглядеть как левая. Это связано с тем, что с точки зрения математики левая и правая руки по-разному ориентированы. Вместе с тем, поглядев на левую руку в зеркало, мы увидим, что она не отличается от правой. Так вот, P-симметрия это как раз симметрия относительно зеркального отображения пространства, как говорят математики, отображения, меняющего ориентацию. В макромире симметрия такого рода, конечно, есть – например, праворульная машина ездит так же, как и леворульная. В микромире, однако, все гораздо сложнее.

Отсутствие симметрии рождает чудовищ

Теперь перенесемся в 50-е годы прошлого века. Почти все физики уверены в незыблемости C- и P-симметрии применительно к слабому взаимодействию (одно из четырех фундаментальных взаимодействий, связанное, например, с некоторыми типами ядерного распада). В 1956 году молодые китайские физики Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, анализируя накопившееся на тот момент экспериментальные данные, высказывают довольно крамольную на тот момент мысль: при слабом взаимодействии нарушаются оба типа симметрии. Свои выводы они основывают на накопившихся на тот момент данных о разного рода несимметричных процессах, к которым относится, например, распад нейтронов. При таком распаде нейтрино и электроны разлетаются несимметрично (уже в геометрическом смысле). Для проверки собственных предположений ученые предлагают несколько типов экспериментов. 

В этом же году группа ученых под руководством китаянки Ву Цзиньсян из лаборатории Колумбийского университета проводит один из предложенных экспериментов. Ядра кобальта-60 при сверхнизкой температуре и в присутствии сильного магнитного поля распадаются на ядра изотопа никеля 60Ni, электроны и электронные нейтрино. Тщательные измерения показывают, что в направлении спина ядра (направление спина тут удобно понимать как направление вдоль оси «вращения» ядра, определенное по правилу правого буравчика) электронов вылетает меньше, чем в противоположном направлении, а это ровно и означает нарушение P-симметрии. Это легко понять, если отразить процесс в зеркале, параллельном вектору скорости. При таком отражении вектор скорости не изменится, а спин поменяет направление на противоположное (ровно потому, что изменилось направление «вращения» ядра).

Именно тогда появился термин «зеркальная материя». Именно так сами Янг и Ли назвали загадочные гипотетические частицы, для которых законы слабого взаимодействия должны быть зеркально симметричны обычным. Тогда идея не прижилась – достаточно быстро возникла теория великого советского физика Льва Ландау о том, что при слабом взаимодействии сохраняется так называемая CP-симметрия (это просто одновременное изменение зарядов, направлений электрического и магнитных полей на противоположные и зеркальное отображение координат). В его теории на роль зеркальных частиц прекрасно подходили античастицы. На тот момент в реальности этого физического объекта никто не сомневался – позитроны (античастицы, соответствующие электронам) были открыты еще в 1932 году. Нет ничего удивительного, что физики предпочли уже существующий объект некой абстракции.

В 1964 году, однако, CP-симметрия испытала сокрушительный удар – американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили в распаде нейтральных каонов (это такие частицы) нарушение этой самой симметрии. За эту работу оба получили Нобелевскую премию по физике в 1980 году (а за объяснение этого феномена, приведшее к появлению третьего семейства кварков, ту же нобелевку дали Йоитиру Намбу, Макото Кобаяси и Тосихидэ Масакава уже в 2008 году).

В это же время зеркальная материя снова оказалась в поле внимания физиков, теперь уже советских. В 1966 году в журнале «Ядерная физика» выходит статья «О возможности экспериментального обнаружения зеркальных частиц», написанная Игорем Кобзаревым, Львом Окунем и Исааком Померанчуком. В этой работе ученые впервые всерьез рассмотрели свойства такой гипотетической материи. В следующих работах, они установили, что она взаимодействует сама с собой. Это означает, что если такая материя существует, то существуют и зеркальные атомы и даже, возможно, зеркальные небесные тела (1983 год). При этом оказалось, что такая зеркальная материя будет взаимодействовать с нашим миром только посредством гравитации. При этом в окрестности Земли этой зеркальной материи почти нет (1979 год). Если бы она была, то она вносила бы существенные возмущения в движение небесных тел, которое астрофизикам, разумеется, давно бы удалось обнаружить.

Как это часто бывает, о существовании зеркальной материи весь остальной мир (не СССР) узнал совсем от других людей – в 1991 году появилась соответствующая статья Роберта Фута из Университета Мельбурна. В настоящее время именно он является самым известным адептом зеркальной теории.

Темная против зеркальной

Интерес к зеркальной материи в последние годы возник благодаря так называемой проблеме скрытой массы, известной также как темная материя. Если коротко, то, наблюдая за вращениями звезд вокруг центров различных галактик, ученые обнаружили, что светила на окраинах движутся слишком быстро. Традиционные модели предсказывают, что скорость должна быть обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния до оси вращения. В свою очередь, в действительности скорость остается почти постоянной. Чтобы объяснить этот эффект, было введено понятие скрытой массы, или темной материи. 

Что такое эта масса, пока никто не знает. В настоящее время одна из наиболее популярных гипотез считает, что скрытая масса состоит из небарионной материи. Фактически это означает, что частицы такой материи почти не участвуют в электромагнитном (отсюда и название «темная», ведь свет есть электромагнитное излучение), слабом и сильном взаимодействиях, однако хорошо участвуют в гравитационном. Одной из наиболее популярных сейчас теорий является теория вимпов – слабо взаимодействующих массивных частиц. Сразу несколько экспериментов по всему миру ищут подобную материю. Так вот, зеркальная материя прекрасно подходит на роль темной материи – ведь, как мы помним, она проявляет себя только посредством гравитационного взаимодействия. В настоящее время, однако, эта гипотеза не слишком популярна, и, за исключением небольшой группы физиков, ею никто толком не занимается.

Результаты двух итальянских физиков, Зураба Бережиани и Фабрицио Нести, возможно, могут в корне переломить эту ситуацию. Что же такого сделали эти двое? Они опубликовали в European Physical Journal статью, в которой изложили собственный анализ данных эксперимента физика Анатолия Сереброва из Петербургского института ядерной физики Константинова. Серебров во французском Институте Лауэ-Ланжевена экспериментально изучал процесс содержания нейтронов в ультра-холодной нейтронной ловушке. Ему удалось установить, что потери составляют около 1 процента нейтронов. Статистический анализ, проведенный Бережиани и Нести, позволил выявить с достаточной степенью уверенности, что потеря нейтронов не связана с их утеканием через стенки ловушки.

Сам по себе этот факт довольно интересен, особенно если его удастся подтвердить в других экспериментах. Однако в рамках работы сами ученые предлагают неожиданное объяснение. Раз этот процесс вроде бы необъясним с точки зрения стандартной физики, то его можно объяснить так: нейтроны осциллируют, колеблясь между своим привычным состоянием и зеркальным. По сути частицы утекают в параллельный мир.

Главный недостаток новой работы в том, что исследователи оставили коллегам проверку последствий наличия таких осцилляций – довольно часто оказывается, что экзотические теории вступают в противоречие с экспериментальными данными. Лишь единицы выживают в этой теоретической битве и доходят до непосредственной экспериментальной проверки.

С другой стороны, если факт наличия вроде как необъяснимого явления – утечки нейтронов – подтвердится, это будет здорово. Потому что это интересно.