Medžiaga prieš antimateriją

Материя срещу антиматерия

Материя срещу Антиматерия: дисбаланс, който позволи на материята да доминира

Една от най-дълбоките загадки на съвременната физика и космология е защо нашата Вселена се състои почти изцяло от материя, а антиматерията в нея е много малко. Според настоящото разбиране, материята и антиматерията трябваше да бъдат образувани в почти равни количества в най-ранните мигове след Големия взрив, затова те трябваше напълно да анхилират – но това не се случи. Малък превес на материята (приблизително една част на милиард) е останал и е формирал галактики, звезди, планети и накрая живот, такъв какъвто го познаваме. Този очевиден асиметрията между материя и антиматерия често се нарича асиметрия на барионната Вселена термин, тясно свързан с явления, наречени нарушение на KP (англ. CP) и бариогенеза.

В тази статия ще обсъдим:

  1. Кратка историческа перспектива за откриването на антиматерия.
  2. Природата на дисбаланса между материя и антиматерия.
  3. Симетрията KP (заряд и паритет) и нейното нарушение.
  4. Условията на Сахаров за бариогенезата.
  5. Предложени хипотези за образуването на асиметрия между материя и антиматерия (напр., електрослаба барионогенеза, лептогенеза).
  6. Провеждани експерименти и бъдещи направления.

В края на статията ще имате обща представа защо, според нас, във Вселената има повече материя отколкото антиматерия и ще научите как науката се опитва да се определи точният механизъм, който води до този космически дисбаланс.

1. Исторически контекст: откриването на антиматерия

Концепцията за антиматерия беше теоретично предсказана за първи път от английския физик Пол Дирак през 1928 г. създава набор от уравнения (уравнението на Дирак), описващ релативистично движещи се електрони. Това уравнение неочаквано позволи да се открие решения, съответстващи на частици с положителна и отрицателна енергия. Решенията с „отрицателна енергия“ по-късно бяха интерпретирани като частици, притежаващи същата маса като електрона, но с противоположен по знак електрически заряд.

  1. Откриването на позитрона (1932 г.): През 1932 г. американският физик Карл Андерсън експериментално потвърди съществуването на антиматерия съществуването, откривайки позитрона (античастицата на електрона) в космическите лъчи оставени следи.
  2. Антипротон и антинейтрон: Антипротонът е открит през 1955 г. от Емилио Сегре и Оуен Чембърлен, а антинейтронът е открит през 1956 г.

Тези открития засилиха идеята, че за всеки вид частица от Стандартния модел съществува античастица, която има противоположни квантови числа (напр., електрически заряд, барионен брой), но същата маса и въртене.

2. Природата на дисбаланса между материя и антиматерия

2.1 Равномерно образуване в ранната Вселена

По време на Големия взрив Вселената беше изключително гореща и плътна, така че енергията ниво беше достатъчно високо, за да се образуват частици материя и антиматерия двойки. Според обичайното разбиране, средно за всяка образувана частица материя за всяка частица трябваше да се създаде съответната античастица. С разширяването на Вселената и при охлаждане тези частици и античастици трябваше почти напълно да анхилират, превръщайки масата в енергия (най-често в гама-лъчи фотони).

2.2 Останала материя

Въпреки това наблюденията показват, че Вселената е предимно съставена от материя. Чистата диспропорцията е малка, но именно тя беше решаваща. Това съотношение може да се количествено оценено, разглеждайки плътността на барионите (материята) и плътността на фотоните Често срещаното съотношение на Вселената, обозначавано η = (nB - n̄B) / nγ. Космически микровълнов фон (КМФ) – получен от мисии като COBE, WMAP и Planck – данни показва:

η ≈ 6 × 10−10.

Това означава, че на всеки милиард фотони, останали след Големия взрив, се пада приблизително един протон (или неутрон) – но най-важното е, че този един барионът надмина своя съответен антибарион. Възниква въпросът: как се появи тази малка, но съществена асиметрия?

3. KP симетрия и нейното нарушаване

3.1 Симетрия във физиката

Във физиката на частиците K (зарядова конюгация) симетрия означава размяна на частици и тяхната размяна с античастици. P (паритетна) симетрия означава пространствена инверсно отражение (за промяна на знака на пространствените координати). Ако физичният закон остава непроменено при прилагане както на K, така и на P трансформации (т.е. „ако изображението остава е същото, когато частиците се заменят с античастици, а лявото и дясното са разменени на места"), казваме, че се спазва KP симетрия.

3.2 Ранното откриване на нарушението на KP

Първоначално се смяташе, че KP симетрията може да бъде фундаментално свойство на природата, особено след и през 1950-те години беше открито само нарушаване на паритета (P). Въпреки това, през 1964 г. Джеймс Кронин и Уолъс Фич установиха, че неутринни каони (K0) при разпад нарушава CP симетрията (Кронин & Фич, 1964 [1]). Този революционен резултат показа, че дори CP понякога може да бъде нарушавано в определени процеси на слабото взаимодействие.

3.3 Нарушение на CP в Стандартния модел

В Стандартния модел на физиката на частиците нарушението на CP може да произтича от фази В матрицата на Кабибо-Кобаяши-Маскава (CKM), описваща как кварките с различни „вкусове“ преминават един в друг под въздействието на слабото взаимодействие. По-късно, в неутринната физика се появи друг термин на матрицата за смесване – матрица на Понтекорво–Мако–Накагава–Саката (PMNS), която също може трябва да има фази, нарушаващи CP. Въпреки това до момента наблюдаваната степен на нарушение на CP в тези в секторите е твърде малка, за да обясни барионната асиметрия. Поради това се смята, че съществуват допълнителни източници на нарушение на CP извън рамките на Стандартния модел.

4. Условията на Сахаров за бариогенезата

През 1967 г. руският физик Андрей Сахаров формулира три необходими условия, за да може в ранната Вселена да се появят материя и асиметрия на антиматерията (Сахаров, 1967 [2]):

  1. Нарушение на барионното число: Трябва да има взаимодействие или процеси, които променят чистия барионен брой B. Ако барионният брой е строго се запазва, асиметрия между бариони и антибариони не може да се образува.
  2. Нарушение на К и КП: Процеси, които разграничават материята и антиматерия, са необходими. Ако К и КП бяха перфектни симетрии, всеки процес, създаващ повече бариони, отколкото антибариони, трябва да има огледален еквивалент, който се създават толкова антибариони, колкото и бариони, като по този начин „анулира“ всякакъв излишък.
  3. Отклонение от термично равновесие: В термично равновесие процесите на създаване и анихилация на частици протичат еднакво в двете посоки, затова балансът се запазва. Нетермодинамично балансирана среда, например, бързо разширяващата се и охлаждаща се Вселена позволява определени процеси „фиксиране“ на асиметрията.

Всяка успешна теория или механизъм за барогенеза трябва да отговаря на следните три условия, които да обяснят наблюдавания дисбаланс между материя и антиматерия.

5. Предложени механизми за формиране на асиметрия между материя и антиматерия

5.1 Електрослаба барогенеза

Електрослаба барогенеза твърди, че барионната асиметрия възникна приблизително по времето, когато протичаше електрослаба фазова преходна фаза (~10−11 сек. след Големия взрив). Основни аспекти:

  • Полето на Хигс придобива нелинейна вакуумна стойност и така спонтанно нарушава електрослабата симетрия.
  • Непертурбативни процеси, наречени сфералони, могат да нарушат общия брой бариони и лептони (B+L), но да запази барионния и лептонния разликата (B−L).
  • Фазовият преход, ако е от I ред (т.е. характерен с образуване на мехурчета), ще създадат необходимото отклонение от термичното равновесие.
  • CP нарушаващи взаимодействия в сектора на Хигс или по време на смесването на кварките ще допринесе за дисбаланса между материя и антиматерия, възникващ в мехурчетата.

За съжаление, в настоящия диапазон на параметрите на Стандартния модел (особено при маса 125 GeV Откриването на бозона на Хигс) е малко вероятно електрослабата фазова преходна фаза беше от I ред. Освен това, CP нарушението, предоставено от CKM матрицата, е твърде малко. Затова много теоретици предлагат физика извън Стандартния модел – например допълнителни скаларни полета – за да стане електрослабата барогенеза по-реалистична.

5.2 DVT (GUT) барогенеза

Теории за голямо обединение (GUT) се стремят да обединят силната, слабата и електромагнитната взаимодействия при много високи енергийни условия (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos бозонът на Хигс бозонът могат да посредничат разпада на протон или други процеси, нарушаващи броя на барионите. Ако тези процеси протичат в нетермично в ранната Вселена, те по същество могат да генерират барионна асиметрия. Въпреки това е необходимо нарушението на CP в тези GUT сценарии да е достатъчно голямо, но експериментално досега не е успял да бъде наблюдаван разпад на протон, предсказан от GUT да бъдат открити с очакваните честоти. Това ограничава по-простите GUT модели на бариогенезата.

5.3 Лептогенеза

Лептогенеза започва с асиметрия на лептони и антилептони. Тази лептонна асиметрия по-късно чрез сфералонни процеси на електрослабата през периода частично се превръща в барионна асиметрия, тъй като тези процеси могат лептони, които се конвертират в бариони. Един от популярните механизми е:

  1. „Seesaw“ механизъм: Въвеждат се тежки десноконюгирани неутрино (или други тежки лептони).
  2. Тези тежки неутрино могат да се разпаднат чрез нарушение на CP, създавайки лептонен сектор асиметрия.
  3. Част от взаимодействието на сфералоните превръща тази лептонна асиметрия в барионна асиметрия.

Лептогенезата е привлекателна с това, че свързва произхода на масите на неутриното (наблюдаваната неутрино осцилации) с космически дисбаланс на материя и антиматерия. Освен това, тя не притежава някои ограничаващи фактори, които пречат за електрослаба бариогенеза, затова често се споменава като една от основните съставни части на теории за нова физика.

6. Провеждани експерименти и бъдещи направления

6.1 Ускорители с висока енергия

Такива ускорители като Големия адронен колайдер (LHC) – особено експериментът LHCb – може да бъде чувствителен към нарушение на CP в различни разпади на мезони (B, D и др.). Чрез измерване на степента на нарушение на CP и сравнявайки го с прогнозите на Стандартния модел, учените се надяват да открият несъответствия, които биха могли да означават нова физика извън Стандартния модел.

  • LHCb: Специализира в прецизни измервания на редки разпади и нарушения на CP в изследванията на b-кварковия сектор.
  • Belle II (KEK в Япония) и вече завършеният BaBar (SLAC) също изследваше нарушение на CP в B-мезоните в системите.

6.2 Експерименти с неутрино

Експерименти с ново поколение за неутринни осцилации, като например DUNE (Дълбок подземен неутринен експеримент) в САЩ и Hyper-Kamiokande в Япония се стреми към висока точност при измерванията Фаза на нарушение на CP в матрицата PMNS. Ако неутриното показваше ясно нарушение на CP, това би подкрепило още повече лептогенезата като причина за дисбаланса между материя и антиматерия решение, хипотеза.

6.3 Търсене на разпад на протони

Ако сценариите на GUT барионогенеза са верни, разпадът на протон може да бъде важен източник на улики. Експерименти като Super-Kamiokande (и в бъдеще Hyper-Kamiokande) строго определя границите на продължителността на съществуване на протона за различни канали на разпад. Всяко откриване на разпад на протон би било изключително важно, тъй като би дало сериозни улики за нарушаване на барионния брой на високи енергийни нива.

6.4 Търсене на аксони

Въпреки че аксони (хипотетични частици, свързани с проблема на силната КП решението) не са пряко свързани с барионогенезата в обичайния смисъл, те също може да играе определена роля в термичната история на ранната Вселена и да определят възможните диспропорции между материя и антиматерия. Затова търсенето на аксони остава важна част от решаването на общата пъзел на Вселената.

Заключение

Космическото доминиране на материята над антиматерията остава един от основните открити въпроси във физиката. Стандартният модел предвижда определено нарушение на КП, но недостатъчна, за да обясни наблюдаваната степен на асиметрия. Това несъответствие изисква нова физика – или по-висока енергия (напр. в мащаба на DVT), или чрез въвеждане на допълнителни частици и взаимодействия, които все още не сме открили.

Въпреки че електрослаба бариогенеза, DVT бариогенеза и лептогенеза са възможни механизми, необходим е по-нататъшен експериментален и теоретичен анализ. Високоточни експерименти в ускорителната физика, изследвания на неутринни осцилации и редки разпади изследвания и астрофизични наблюдения продължават да проверяват тези теории. Отговорът на въпроса защо материята е победила антиматерията, може не само да разшири нашето разбиране за произхода на Вселената, но и да разкрие напълно нови аспекти на нашата реалност аспекти.

Препоръчителни източници и допълнително четене

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Доказателства за 2π разпад на K20 Мезон.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Nuoroda]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Нарушение на CP инвариантността, C асиметрия, и барионната асиметрия на Вселената.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Подробни данни и източник на прегледи за свойствата на частиците, нарушението на КП и физиката извън Извън границите на Стандартния модел.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Recent Progress in Baryogenesis.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “The Origin of the Matter-Antimatter Asymmetry.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Класическа книга за космологични процеси, включително и баригенезата.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Подробно разглежда инфлацията, ядрената синтеза и баригенезата.

Тези изследвания предоставят по-дълбок теоретичен и експериментален контекст за нарушението на КП, нарушение на броя на барионите и възможните асиметрии между материя и антиматерия във Вселената механизми. С увеличаването на количеството нови експериментални данни се приближаваме към отговора į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, или нищо?

Върнете се в блога