Medžiaga prieš antimateriją

Materiál proti antihmotě

Látka vs. Anti-látka: nerovnováha, která umožnila dominanci látky

Jednou z nejhlubších záhad moderní fyziky a kosmologie je, proč náš Vesmír se skládá téměř výhradně z látky a anti-látky je v něm velmi málo. Podle současného chápání měla být látka a anti-látka vznikly v téměř stejném množství v nejranějších okamžicích po Velkém výbuchu, proto měly být zcela anihilovány – ale nestalo se tak. Malý přebytek látky (přibližně jedna část z miliardy) přetrval a vytvořil galaxie, hvězdy, planety a nakonec život, jak ho známe. Tento zřejmý asymetrie látky a anti-látky je často označována asymetrií barionové vesmíru a úzce spojené s jevy nazývanými porušením KP (angl. CP) a barogeneze.

V tomto článku budeme diskutovat:

  1. Krátkou historickou perspektivu objevu anti-látky.
  2. Povahu nerovnováhy látky a anti-látky.
  3. Symetrii KP (náboje a parity) a její porušení.
  4. Sacharovovy podmínky pro barogenezi.
  5. Navržené hypotézy vzniku asymetrie látky a anti-látky (např. elektroslabá bariogeneze, leptogeneze).
  6. Probíhající experimenty a budoucí směry.

Na konci článku budete mít obecné pochopení, proč podle nás ve vesmíru existuje více hmoty než antihmoty a dozvíte se, jak se věda snaží stanovit přesný mechanismus, který způsobuje tuto kosmickou nerovnováhu.

1. Historický kontext: objev antihmoty

Koncepci antihmoty poprvé teoreticky předpověděl anglický fyzik Paul Dirac v roce 1928 sestavil soubor rovnic (Diracova rovnice), popisující relativisticky se pohybující elektrony. Tato rovnice nečekaně umožnila najít řešení odpovídající částicím s kladnou a zápornou energií. Řešení „negativní energie“ byla později interpretována jako částice s stejnou hmotnost jako elektron, ale s opačným elektrickým nábojem.

  1. Objev pozitronu (1932): Americký fyzik v roce 1932 Carl Anderson experimentálně potvrdil existenci antihmoty existenci objevil pozitron (antčástici elektronu) v kosmickém záření zanechaných stop.
  2. Antiproton a antineutron: Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrè a Owen Chamberlain, a antineutron byl objeven v roce 1956.

Tato zjištění posílila myšlenku, že pro každý druh částice Standardního modelu existuje antčástice, která má opačné kvantové číslo (např. elektrický náboj, barionové číslo), ale stejnou hmotu a spiny.

2. Povaha nerovnováhy mezi hmotou a antihmotou

2.1 Rovnoměrné vytváření v raném Vesmíru

Během Velkého třesku byl Vesmír neobyčejně horký a hustý, takže energie úroveň byla dostatečně vysoká, aby vznikly částice hmoty a antihmoty páru. Podle běžného chápání byla průměrně pro každou vzniklou hmotnou částici musela být vytvořena odpovídající antičástice. S rozpínáním Vesmíru a při ochlazování měly tyto částice a antičástice téměř úplně anihilovat, přeměnou hmoty na energii (nejčastěji gama zářeními fotonů).

2.2 Zbývající hmota

Pozorování však ukazují, že Vesmír je převážně tvořen hmotou. Čistá disproporce je malá, ale právě ona byla rozhodující. Tento poměr lze kvantitativně zhodnotit, z hlediska hustoty barionů (hmotných částic) a hustoty fotonů Poměr ve Vesmíru, často označovaný η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmického mikrovlnného pozadí (KMF) – získaná z misí jako COBE, WMAP a Planck – data ukazuje:

η ≈ 6 × 10−10.

To znamená, že na miliardu fotonů, které zůstaly po Velkém třesku, připadá přibližně jeden proton (nebo neutron) – ale nejdůležitější je, že ten jeden barion překonal svůj odpovídající antibarion. Vznáší se otázka: jak vznikla tato malá, ale zásadní asymetrie?

3. Symetrie KP a její porušení

3.1 Symetrie ve fyzice

Ve fyzice částic K (konjugace náboje) symetrie znamená částice a jejich výměnu antičástic. P (paritní) symetrie znamená prostorovou inverzní odraz (změna znaménka prostorových souřadnic). Pokud fyzikální zákon zůstává nezměněn při provedení transformací K i P (tj. „pokud obraz zůstává je stejný, když jsou částice nahrazeny antičásticemi a levá a pravá jsou prohozeny místy"), říkáme, že je zachována symetrie KP.

3.2 Raný objev porušení KP

Zpočátku se předpokládalo, že symetrie KP může být základní vlastností přírody, zejména po a v 50. letech byl objeven pouze porušení parity (P). Nicméně v roce 1964 James Cronin a Val Fitch zjistili, že neutrinové kaony (K0) rozpad porušuje CP symetrii (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Tento revoluční výsledek ukázal, že i CP někdy může být porušováno v určitých procesech slabé interakce.

3.3 Porušení CP ve Standardním modelu

V rámci Standardního modelu částicové fyziky může porušení CP vycházet z fází Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matice, popisující, jak kvarky různých „chutí“ přecházejí jeden v druhý působením slabé interakce. Později, ve fyzice neutrin se objevil další člen míchací matice – Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS) matice, která může také musí existovat fáze porušující CP. Nicméně dosud pozorovaná míra porušení CP v těchto v sektorech je příliš malá, aby vysvětlila barionovou asymetrii. Proto se předpokládá, že existují další zdroje porušení CP mimo rámec Standardního modelu.

4. Sacharovovy podmínky pro barionogenezi

V roce 1967 ruský fyzik Andrej Sacharov formuloval tři nezbytné podmínky, aby se v raném vesmíru mohla objevit hmota a asymetrie antihmoty (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Porušení barionového čísla: Musí probíhat interakce nebo procesy měnící čisté barionové číslo B. Pokud je barionové číslo přísně zachována, asymetrie barionů a antibarionů nemůže vzniknout.
  2. Porušení K a KP: Procesy, které rozlišují hmotu a antihmotu, jsou nezbytné. Pokud by K a KP byly dokonalé symetrie, jakýkoli proces, vytvářející více barionů než antibarionů, by měl mít zrcadlový protějšek, který vytvoří stejný počet antibarionů, čímž „zruší“ jakýkoli přebytek.
  3. Odchylka od termální rovnováhy: V termální rovnováze procesy tvorby a anihilace částic probíhají stejně oběma směry, proto zachovává se rovnováha. Termicky vyvážené prostředí, například rychle se rozpínající a chladnoucí vesmír umožňuje určitým procesům „zafixovat“ asymetrii.

Každá úspěšná teorie nebo mechanismus barogeneze musí splňovat tyto tři podmínky, které umožňují vysvětlit pozorovanou nerovnováhu mezi hmotou a antihmotou.

5. Navržené mechanismy vzniku asymetrie hmoty a antihmoty

5.1 Elektroslabá barogeneze

Elektroslabá barogeneze tvrdí, že barionová asymetrie vznikla přibližně ve stejné době, kdy probíhala elektroslabá fázová přeměna (~10−11 sek. po Didžiojo třesku). Hlavní aspekty:

  • Higgsovo pole nabývá nelineární vakuové hodnoty a tím spontánně narušuje elektroslabou symetrii.
  • Neperturbační procesy nazývané sferalony mohou porušovat celkový počet barionů a leptonů (B+L), ale zachovat barionové a leptonové rozdíl (B−L).
  • Fázový přechod, pokud by byl prvního řádu (tj. charakteristický tvorbou bublin), vytvořily potřebný odklon od termální rovnováhy.
  • Procesy porušující CP v Higgsově sektoru nebo během míchání kvarků přispěly k nerovnováze mezi hmotou a antihmotou vznikající v bublinách.

Bohužel v současném rozsahu parametrů Standardního modelu (zejména při hmotnosti 125 GeV objevu Higgsova bosonu) je nepravděpodobné, že by fáze elektroslabého přechodu byl prvního řádu. Navíc porušení CP poskytované CKM maticí je příliš malé. Proto mnoho teoretici navrhují fyziku existující mimo Standardní model – například dodatečná skalární pole – aby elektroslabá barogeneze byla realističtější.

5.2 DVT (GUT) barogeneze

Velké sjednocující teorie (GUT) usilují o sjednocení silné, slabou a elektromagnetickou interakci za velmi vysokých energetických podmínek (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai a Higgsovy bozonai mohou zprostředkovat rozpad protonu nebo jiné procesy porušující počet baryonů. Pokud tyto procesy probíhají mimo termální rovnováhu, v raném vesmíru mohou v podstatě generovat baryonovou asymetrii. Je však nezbytné, aby porušení CP v těchto GUT scénářích bylo dostatečně velké, a rozpad protonu, který GUT předpovídá, se zatím experimentálně nepodařilo byly detekovány na frekvencích, které se očekávaly. To omezuje jednodušší GUT modely barionogeneze.

5.3 Leptogeneze

Leptogeneze začíná asymetrií leptonů a antileptonů. Tato leptonová asymetrie je později přes sferalonové procesy elektroslabé během období je částečně přeměněna na baryonovou asymetrii, protože tyto procesy mohou leptony konvertovat na baryony. Jeden z populárních mechanismů:

  1. Mechanismus „Seesaw“: Zavádí se těžká pravotočivá neutrina (nebo jiní těžcí leptoni).
  2. Tito těžcí neutrina mohou rozpadat přes porušení CP a vytvářet asymetrii v leptonovém sektoru asymetrii.
  3. Interakce sferalonů přeměňuje část této leptonové asymetrie na baryonovou asymetrie.

Leptogeneze je atraktivní tím, že spojuje původ hmotnosti neutrin (pozorovatelný v neutrino oscilacích) s kosmickou hmotou a nerovnováhou antihmoty. Kromě toho jí nechybí některé omezující faktory, které brání elektroslabé bariogeneze, proto je často uváděna jako jedna z hlavních složek teorií nové fyziky.

6. Prováděné experimenty a budoucí směry

6.1 Vysokoenergetické urychlovače

Takové urychlovače jako Velký hadronový urychlovač (LHC) – zejména experiment LHCb – mohou být citlivé na porušení CP v různých rozpadech mezonů (B, D a dalších). Měřením míry porušení CP a porovnávajíce je s předpověďmi Standardního modelu, vědci očekávají najít nesouladů, které by mohly naznačovat novou fyziku mimo Standardní model.

  • LHCb: Specializuje se na přesná měření vzácných rozpadů a porušení CP v sektoru b-kvarků.
  • Belle II (KEK v Japonsku) a již dokončený BaBar (SLAC) také zkoumal porušení CP v B-mezonových v systémech.

6.2 Neutrino experimenty

Nová generace experimentů s neutrino oscilacemi, jako jsou DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) v USA a Hyper-Kamiokande v Japonsku usiluje o vysokou přesnost měření Fáze porušení CP v PMNS matici. Pokud by neutrina ukazovala výrazné porušení CP, to by dále podpořilo leptogenezi jako příčinu nerovnováhy mezi hmotou a antihmotou řešení, hypotézu.

6.3 Hledání rozpadu protonů

Pokud jsou scénáře GUT barionogeneze správné, rozpad protonu by mohl být důležitý zdroj náznaků. Experimenty jako Super-Kamiokande (a v budoucnu Hyper-Kamiokande) přísně stanovuje hranice doby života protonu pro různé kanály rozpadu. Jakýkoli objev rozpadu protonu by byl nesmírně důležitý, protože by poskytl vážné náznaky o porušení baryonového čísla na vysokých energiích.

6.4 Hledání axionů

Ačkoliv axiony (hypotetické částice spojené s problémem silné CP řešení) nejsou přímo spojeny s barionogenezí v obvyklém smyslu, také mohlo hrát určitou roli v termální historii raného vesmíru a ovlivnit možné disproporce mezi hmotou a antihmotou. Proto hledání axionů zůstává důležitou součástí řešení celkové hádanky vesmíru.

Závěr

Kosmická dominance hmoty nad antihmotou zůstává jedním z hlavních otevřených otázek fyziky. Standardní model předpovídá určité porušení CP, avšak nedostatečnou k vysvětlení pozorované míry asymetrie. Tento nesoulad potřebu nové fyziky – nebo vyšší energie (např. v měřítku DVT), nebo zavedením dalších částic a interakcí, které dosud nebyla objevena.

Ačkoliv elektroslabá barigeneze, DVT barigeneze a leptogeneze jsou možné mechanismy, je nutná další experimentální a teoretická analýza. Vysoce přesné experimenty v urychlovačové fyzice, výzkumy neutrino oscilací a vzácných rozpadů výzkumy a astrofyzikální pozorování dále testují tyto teorie. Odpověď na otázku, proč hmota zvítězila nad antihmotou, může nejen rozšířit naše pochopení vzniku vesmíru, ale také odhalit zcela nové aspekty naší reality aspekty.

Doporučené zdroje a další čtení

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Důkazy pro 2π rozpad K20 Mezon.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Odkaz]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Porušení CP invariance, C asymetrie, a baryonová asymetrie vesmíru.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Podrobná data a zdroj přehledů o vlastnostech částic, porušení CP a fyzice za hranice Standardního modelu.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Nedávný pokrok v Barogeneze.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “Původ Asymetrie látky a anti-látky.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Klasická kniha o kosmologické procesy, včetně barogeneze.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Podrobně se zabývá inflací, jadernou syntézou a barogenezi.

Tyto práce poskytují hlubší teoretický a experimentální kontext o porušení CP, porušení počtu barionů a možné asymetrii látky a anti-látky ve vesmíru mechanismy. S narůstajícím množstvím nových experimentálních dat se blížíme k odpovědi į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, nebo nic?

Návrat na blog