Введение

    Как устроен окружающий Мир? Как он образовался? Что такое материя и антиматерия? Эти вопросы постоянно волновали человечество. И в зависимости от культуры и уровня знаний ответы были различны и постоянно эволюционировали. Сегодня ответ, основанный на знании физических законов, звучит так. Вселенная существовала не всегда. Она родилась в результате Большого взрыва. Большой взрыв – начальный момент времени, в который родилось пространство и время, началось расширение нашей Вселенной. Расширение Вселенной впервые установил в 1929 г. Э. Хаббл, измерив скорости удаления различных галак­тик от наблюдателя, находящегося на Земле. Данные космологии и физики частиц говорят о том, что в начальный момент Вселенная имела очень большую плотность и высокую температуру. Непосредственно после Большого взрыва вещество во Вселенной находилось в экстремальных условиях. Плотность вещества во Вселенной превышала 10⁹⁰ г/см³, а температура была выше 10³² К. Нам не известны законы физики, с помощью которых можно описывать вещество в этих условиях. В горячей Вселенной существовали все известные в настоящее время частицы. Каждая частица имела двойника – античастицу. В горячей Вселенной частицы и античастицы постоянно рождались и аннигилировали. Однако по мере расширение Вселенной её температура и плотность уменьшилась настолько, что эти условия можно воспроизвести на ускорителях. Процессы рождения и аннигиляции частиц и античастиц имеют одну особенность. Аннигиляция частицы и античастицы происходит при любой энергии взаимодействия. Но для того, чтобы происходило рождение частицы и античастицы энергия сталкивающихся частиц должна превышать их удвоенную энергию покоя. Поэтому по мере остывания Вселенной вначале перестали образовываться наиболее массивные частицы и античастицы, а затем и частицы и античастицы с меньшей массой. Образование частиц и античастиц становится всё более редким явлением, начинает преобладать их аннигиляция. Если процесс рождения частиц и античастиц приводит к рождению массивных частиц, то процесс их аннигиляции в конечном итоге приводит к рождению квантов энергии — фотонов. В горячей Вселенной в условиях термодинамического равновесия на начальном этапе рождалось одинаковое число частиц, античастиц и фотонов высокой энергии. Поэтому казалось, что их аннигиляция должна была привести к полному уничтожению частиц и античастиц. Однако доступная нашему наблюдению часть Вселенной состоит только из частиц вещества. Земля, Солнечная система, галактики состоят из вещества – материи, управляемой законом гравитации. Куда же девались античастицы? Почему нарушилось равновесие между материей и антиматерией? Ответ на эти вопросы можно получить из экспериментов на современных ускорителях. Эти эксперименты позволяют воспроизвести условия, существовавшие во Вселенной ко времени 10^–17 с с момента её рождения. Материя и антиматерия управляются одинаковыми физическими законами, однако небольшое различие в распадах частиц и античастиц привело к тому, что к моменту времени 10^–17 с на 10⁹ частиц антиматерии существовало 10⁹ + 1 частиц материи. Аннигиляция 10⁹ частиц материи и антиматерии привела к образованию наблюдаемого сегодня реликтового излучения. Вселенная заполнена фотонами реликтового излучения. На 10⁹ фотонов реликтового излучения приходится 1 частица материи. Вся наблюдаемая во Вселенной материя составляет ничтожно малую долю превышения материи над антиматерией.
    Идея античастиц была впервые высказана П. Дираком на основе анализа написанного им релятивистского уравнения электрона. Он обнаружил, что кроме решений, соответствующих обычным электронам, автоматически получались решения, соответствующие частицам с такой же массой как у электрона, но с отрицательной энергией и с положительным электрическим зарядом +e. Эта частица была названа позитроном. Открытие позитрона К. Андерсоном подтвердило правильность идеи П. Дирака. Позитрон был первой обнаруженной античастицей.
    В течение длительного времени электрон и позитрон были единственными известными частицами, образующими пару частица e^- и античастица e⁺. Имеют ли другие частицы своих двойников – античастицы? Это было не очевидно, так как электрон и позитрон не участвуют в сильных взаимодействиях, т. е. они входят в класс лептонов. Большинство же вновь открытых частиц входит в другой класс частиц – адронов. Адроны – частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Поэтому необходимо было выяснить, имеют ли античастицы адроны. Наиболее удобной античастицей, обнаружение которой могло ответить на этот вопрос, был антипротон.
    Свойства антипротона были предсказаны еще во времена открытия позитрона. Однако для того, чтобы обнаружить эту частицу, необходимо было иметь протоны с кинетической энергией больше 6 ГэВ. Такой ускоритель был специально построен, и начались эксперименты по обнаружению антипротона и антинейтрона. В 1955 г. удалось получить и идентифицировать антипротоны, образующиеся в реакции

р + р →  p + р + р + .

    Античастицы обычно обозначают как частицы с черточкой наверху. В 1956 году был открыт антинейтрон. Пятидесятые годы завершились открытием большого числа античастиц.
    Сейчас почти ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что каждая частица имеет «двойника» - античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что и частицы и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так частица и античастица имеют одинаковые массы, время жизни, но противоположные знаки электрических зарядов, магнитных моментов и др. Схемы распада частиц и античастиц - зарядово-сопряженные, т. е. отличаются заменой частиц на античастицы, например,

n → p + e^- + _e,
→ + e⁺ + ν_e.

    В некоторых случаях частица и античастица тождественны. Такие частицы называются истинно нейтральными частицами. Истинно нейтральными частицами являются γ-квант, π⁰-мезон и некоторые другие мезоны.
    В настоящее время обнаружено практически все античастицы известных частиц. Более того, большинство античастиц было открыто одновременно с первым наблюдением соответствующей частицы. Обнаружены все антилептоны и исследованы их характеристики. Обнаружены античастицы двух основных составляющих атомного ядра – антипротон  и антинейтрон , получены изотопы антиводорода антидейтерий , антитритий  изотопы антигелия , . В лабораторных условиях удалось создать атомы антиводорода, атомы и молекулы позитрония, состоящие из частиц материи и антиматерии.

Таблица. Открытие античастиц, антиядер, антиатомов

Античастица	Год открытия
Позитрон, e+	1932. Космические лучи. K. Anderson
Мюон, μ+	1936. Космические лучи. K. Anderson
Таон, τ+	1975. M. Perl. Электрон-позитронный коллайдер SLAC
Электронное антинейтрино, e	1956. F. Reines, C. L. Cowan
Мюонное антинейтрино, μ	1962. L. M. Lederman, M. Schwartz, S. Steinberger. Brookhaven
Таонное антинейтрино, τ	2000. Fermilab
Антипротон,	1955. O. Chamberlain, E. Segre, C. Wiegand, T. Ypsilantis. Berkeley
Антинейтрон,	1956. B. Cork, G. Lamgbertson, O. Piccioni, W. Wenzel. Berkeley
Антидейтерий,	1966. L. M. Lederman. Berkeley
Антигелий-3,	1970. Ю. Прокошкин. ИФВЭ (Серпухов)
Антитритий,	1973. В. Рыкалин, В. Петрухин. ИФВЭ (Серпухов)
Антигелий-4,	2011. Коллаборация STAR. RHIC
Атом антиводорода,	1995. Эксперимент SP20. LEAR, CERN

    Некоторые радиоактивные ядра в результате β-распада самопроизвольно испускают позитроны и антинейтрино. В таблице приведены основные этапы открытий античастиц.
    Но сегодня загадка выживания материи в результате аннигиляции – это не единственная загадка, которая существует во Вселенной. Другая загадка – существование темной материи. Астрономические наблюдения показывают, для того, чтобы описать динамику движения звездных скоплений необходимо предположить, что наряду с наблюдаемой материей существует ещё неизвестная нам форма материи – темная материя. На одну частицу известной нам материи приходится 7–8 частиц темной материи. Обычная материя и темная материя взаимодействуют только в результате гравитационного взаимодействия. По результатам этого взаимодействия и было установлено существование темной материи. Темную материю невозможно наблюдать в обычные оптические детекторы. Темная материя не состоит из известных нам сегодня частиц и античастиц. По-видимому, она состоит из частиц, о которых мы сегодня ничего не знаем.
    Ещё одна загадка Вселенной. Расширение Вселенной не замедляется, как это следует из известных нам законов гравитации. В 1998 г. в результате наблюдения движения галактик было показано, что Вселенная расширяется с ускорением. Считается, что существуют неизвестные нам поля, которые приводят не к притяжению частиц материи, а к их расталкиванию. Энергия этих полей называется темной энергией. Темная энергия составляет примерно 70% полной энергии Вселенной. Около 30% энергии Вселенной приходится на темную материю. Наблюдаемая и хорошо изученная материя Вселенной составляет лишь около 5%.
    Для того, чтобы понять условия в результате которых сформировалась современная Вселенная, как происходила её эволюция, на ускорителях ставятся эксперименты по столкновению тяжелых ядер. Для этого использовался ускоритель RHIC (релятивистский коллайдер тяжелых ионов), построенный недалеко от Нью-Йорка. В европейской лаборатории ЦЕРН недалеко от Женевы начал работать LHC (Большой Адронный Коллайдер). Эксперименты на этих ускорителях должны дать ответ, насколько адекватно явления, происходящие во Вселенной, описываются в Стандартной модели, установить новые законы симметрии Природы. Нет сомнений в том, что будут открыты новые закономерности поведения материи в условиях большой плотности энергии и высокой температуры, будут получены результаты, которые сегодня невозможно даже предсказать.