Получение ядер антигелия-3

Одним из крупнейших открытий последнего времени в области науки, изучающей свойства материи на самом глубоком уровне, — в физике элементарных частиц явилось открытие в пучке вторичных частиц Серпуховского ускорителя на 76 Гэв антиядер гелия-3.
Хотя понятие античастицы насчитывает около 40 лет (оно впервые введено Дираком для интерпретации состояний с отрицательной массой, следовавших из его релятивистского квантового уравнения для электрона), исследование тяжелых стабильных античастиц стало возможным в последние 16 лет, после создания ускорителей на энергии в Гэв и десятки Гэв.
Обнаружение в космических лучах позитрона в 1.932 г., антипротонов и антинейтронов в середине 50-х годов подтвердило в основном справедливость зарядовой симметрии нашего мира, т. е. принципиальное равноправие вещества и антивещества с точки зрения основных законов физики. Вскоре, правда, выяснилось (By, Ландау, Ли и Янг), что такое равноправие осуществляется лишь при условии, если мир античастиц является как бы вывернутым наизнанку относительно обычного мира, т. е. что он зеркально симметричен обычному миру.
В последние годы, однако, были получены доказательства, что и такая комбинированная четность, т. е. зарядово-зеркальная симметрия, соблюдается в некоторых случаях не на 100%.
Фундаментальное значение подобных свойств элементарных частиц вытекает из того факта, что в силу самых общих положений, на которых основаны современные физические теории, симметрия по отношению к заряду
тесно связана не только с зеркальной симметрией, но и с обращением течения времени.
Именно в начале 50-х годов была установлена знаменитая СРТ-теорема (С — charge, заряд; Р — pairity, четность; Т — time, время), утверждающая, что при соблюдении некоторых достаточно общих положений, которые сегодня представляются заведомо разумными (в частности, справедливость специальной теории относительности), должна соблюдаться симметрия по отношению к трем одновременно производимым переходам: от частиц — к античастицам, к зеркальному отражению и к обратному течению времени.
Из этой теоремы сразу же следует, что нарушение зарядово-зеркальной симметрии означает неравноправность прямого и обратного хода времени.
Из СРТ-теоремы также следует важнейший вывод о том, что массы и времена жизни частиц и античастиц равны.
Учитывая сказанное, ясно, почему вопросы, связанные с проверкой СРТ-теоремы, в частности получение и изучение античастиц, имеют огромное принципиальное значение для современной физики и составляют одно из актуальных направлений в изучении микромира.
Исследование же связанных состояний античастиц — антидейтрона, антигелия представляет не только огромный принципиальный интерес для теории, то и позволяет наглядно убедиться в реальности этих мельчайших кирпичиков антивещества, намечает способы его искусственного получения.
Получение даже этих первых легчайших ядер антиматерии было связано с огромными экспериментальными трудностями.
Во-первых, необходима достаточно большая энергия протона, чтобы в результате его столкновения с другими нуклонами могли одновременно родиться составляющие будущего антиядра (в случае антигелия-3 — два антипротона и антинейтрон). Несмотря на то что собственная энергия рождения нуклона или антинуклона немного более 0,9 Гэв, законы сохранения электрического и барионного (соответствующего сильным, ядерным взаимодействиям) заряда, а также релятивистские законы сохранения энергии и импульса требуют для образования антигелия-3 протонов с энергией не менее 28 Гэв. Причем для успешной регистрации энергия протонов, очевидно, должна быть несколько больше этой минимально необходимой величины.
В силу такого высокого порога образования ядер антигелия-3 реальная надежда на их обнаружение открылась только с сооружением Серпуховского ускорителя на 76 Гэв, так как самые большие энергии, достигнутые ранее, не превышали 30 Гэв (Брукхэйвен, США).
Во-вторых, ввиду ожидавшейся весьма малой вероятности образования ядер антигелия-3 по сравнению с другими конкурирующими процессами, должны были использоваться достаточно интенсивные пучки исходных частиц, сложнейшие системы точного анализа и отбора продуктов реакций по импульсу, скорости и заряду.
В результате многомесячной подготовки, тщательно продуманной методики эксперимента группе физиков под руководством члена- корреспондента АН СССР Ю. Д. Прокошкина удалось надежно индентифицировать 5 ядер антигелия среди 240 миллиардов других частиц.
Это достижение по справедливости было оценено международной научной общественностью как огромный успех в деле изучения все более сложных форм антиматерии.