Medžiaga prieš antimateriją

Materiale mod antimaterie

Stof vs. Antistof: ubalance, der tillod stof at dominere

En af de dybeste gåder i moderne fysik og kosmologi er, hvorfor vores Universet består næsten udelukkende af stof, og der er meget lidt antistof. Ifølge den nuværende forståelse skulle stof og antistof have været dannet i næsten lige store mængder i de allerførste øjeblikke efter det Store eksplosion, så de burde have anihileret fuldstændigt – men det skete ikke. En lille stofoverskud (omtrent en del ud af en milliard) overlevede og dannede galakser, stjerner, planeter og til sidst liv, som vi kender det. Denne åbenlyse asymmetrien mellem stof og antistof omtales ofte som barionisk universasymmetri begrebet og tæt forbundet med fænomener kaldet KP (eng. CP) brud og bariondannelse.

I denne artikel vil vi diskutere:

  1. Kort historisk perspektiv på opdagelsen af antistof.
  2. Stof- og antistofubalance natur.
  3. KP (ladning og paritet) symmetri og dens brud.
  4. Sakharovs betingelser for bariondannelse.
  5. Foreslåede hypoteser om dannelsen af asymmetri mellem stof og antistof (f.eks. elektrosvag baryogenese, leptogenese).
  6. Udførte eksperimenter og fremtidige retninger.

I slutningen af artiklen vil du have en generel forståelse af, hvorfor vi mener, at der i universet er mere stof end antimaterie, og du vil lære, hvordan videnskaben forsøger at fastlægge den præcise mekanisme, der forårsager denne kosmiske ubalance.

1. Historisk kontekst: opdagelsen af antimaterie

Konceptet antimaterie blev første gang teoretisk forudsagt af den engelske fysiker Paul Dirac udarbejdede i 1928 et sæt ligninger (Dirac-ligningen), der beskriver relativistisk bevægende elektroner. Denne ligning gjorde det uventet muligt at finde løsninger, der svarer til partikler med positiv og negativ energi. Løsninger med "negativ energi" blev senere fortolket som partikler med samme masse som elektronen, men med elektrisk ladning af modsat fortegn.

  1. Opdagelsen af positronen (1932): I 1932 opdagede den amerikanske fysiker Carl Anderson bekræftede eksperimentelt eksistensen af antimaterie eksistens ved at opdage positronen (elektronens antipartikel) i kosmisk stråling efterladte spor.
  2. Antiproton og antineutron: Antiprotonen blev opdaget i 1955 Emilio Segrè og Owen Chamberlain, og antineutronen blev opdaget i 1956.

Disse opdagelser styrkede tanken om, at hver partikeltype i Standardmodellen der findes en antipartikel med modsatte kvantetal (f.eks. elektrisk ladning, baryontal tal), men den samme masse og spind.

2. Naturen af stof- og antistofubalance

2.1 Ensartet dannelse i det tidlige univers

Under Big Bang var universet ekstremt varmt og tæt, så energien niveauet var højt nok til, at der kunne dannes stof- og antistofpartikler par. Ifølge den gængse opfattelse skulle der i gennemsnit for hver dannet stofpartikel for hver partikel skulle der skabes en tilsvarende antipartikel. Efterhånden som universet udvidede sig og afkøling skulle disse partikler og antipartikler næsten fuldstændigt annihilere, omdanner masse til energi (oftest gammastrålefotoner).

2.2 Reststof

Observationer viser dog, at universet hovedsageligt består af stof. Den rene ubalance er lille, men det var netop denne, der var afgørende. Dette forhold kan kvantitativt vurderet ved at se på baryonernes (stof) tæthed og fotonernes tæthed Visatoje forholdet, ofte betegnet η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmisk mikrobølgebaggrund (KMF) – opnået fra missioner som COBE, WMAP og Planck – data viser:

η ≈ 6 × 10−10.

Det betyder, at for hver milliard fotoner, der er tilbage efter Big Bang, er der omtrent en proton (eller neutron) – men det vigtigste er, at den ene barionen overgik sin tilsvarende antibarion. Spørgsmålet opstår: hvordan opstod denne lille, men væsentlige asymmetri?

3. KP-symmetri og dens brud

3.1 Symmetri i fysik

I partikkelfysik betyder K (ladningskonjugations) symmetri udveksling af partikler og deres antipartiklers udveksling. P (paritets) symmetri betyder rumlig invers spejling (ændring af fortegnet for rumkoordinater). Hvis en fysisk lov forbliver uændret under både K- og P-transformationer (dvs. "hvis billedet forbliver er den samme, når partikler udskiftes med antipartikler, og venstre og højre byttes om nogle steder"), siger vi, at KP-symmetrien overholdes.

3.2 Den tidlige opdagelse af KP-brud

Man antog oprindeligt, at KP-symmetri kunne være en fundamental egenskab ved naturen, især efter og i 1950'erne blev der kun opdaget paritetsbrud (P). Men i 1964 James Cronin og Val Fitch fandt, at neutrino-kaoner (K0) ved henfald bryder CP-symmetrien (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Dette revolutionerende resultat viste, at selv CP kan nogle gange brydes i visse svage vekselvirkningsprocesser.

3.3 CP-brud i Standardmodellen

I Standardmodellen for partikel-fysik kan CP-brud opstå fra faser Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-matrix, der beskriver, hvordan forskellige "smags"-kvarker skifter til hinanden under svag vekselvirkning. Senere, i neutrino-fysik opstod et andet led i blandingsmatrixen – Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS)-matrix, som også kan skal have CP-brudende faser. Men indtil nu har det observerede omfang af CP-brud i disse i sektorerne er for lille til at forklare Universets bariontal asymmetri. Derfor antages det, at der findes yderligere kilder til CP-brud uden for Standardmodellen.

4. Sacharovs betingelser for bariondannelse

I 1967 formulerede den russiske fysiker Andrej Sacharov tre nødvendige betingelser for, at stof og antistofasymmetri (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Brud på bariontal: Der skal ske vekselvirkning eller processer, der ændrer det rene bariontal B. Hvis bariontallet er strengt bevares, kan barion- og antibarionasymmetri ikke opstå.
  2. K- og CP-brud: Processer, der adskiller stof og antistof, er nødvendige. Hvis K og CP var perfekte symmetrier, ville enhver proces, der skaber flere barioner end antibarioner, bør have et spejlbillede, som skabes lige så mange antibarioner, og dermed "annulleres" ethvert overskud.
  3. Afvigelse fra termisk ligevægt: I termisk ligevægt partikeldannelses- og annihilationsprocesser foregår lige meget i begge retninger, derfor balancen bevares. En termisk afbalanceret omgivelse, for eksempel, det hurtigt ekspanderende og afkølende univers tillader visse processer at "fange" asymmetrien.

Hver succesfuld barogenese-teori eller -mekanisme skal opfylde disse tre betingelser for at kunne forklare den observerede ubalance mellem stof og antistof.

5. Foreslåede mekanismer for dannelse af asymmetri mellem stof og antistof

5.1 Elektrosvag barogenese

Elektrosvag barogenese hævder, at barionasymmetrien dannede sig omtrent på det tidspunkt, hvor den elektrosvage faseovergang fandt sted (~10−11 sek. po Didžiojo sprogimo). Hovedpunkter:

  • Higgs-feltet opnår en ikke-lineær vakuumværdi og dermed spontant den elektrosvage symmetri.
  • Ikke-perturbative processer, kaldet sferaloner, kan bryde det samlede antal baryoner og leptoner (B+L), men bevare baryon- og leptontal forskellen (B−L).
  • Faseovergangen, hvis den var af første orden (dvs. karakteriseret ved bobledannelse), skabte den nødvendige afvigelse fra termisk ligevægt.
  • CP-brudende vekselvirkningsprocesser i Higgs-sektoren eller under kvarkblanding ville bidrage til ubalancen mellem stof og antistof, der opstår i bobler.

Desværre, inden for det nuværende Standardmodel parameterområde (især ved 125 GeV masse Higgs boson opdagelsen) er det usandsynligt, at den elektrosvage faseovergangsperiode var af første orden. Desuden er CP-bruddet givet af CKM-matricen for lille. Derfor er mange teoretikere foreslår fysik uden for Standardmodellen – for eksempel ekstra skalarfelter – for at elektrosvag bariondannelse skal blive mere realistisk.

5.2 DVT (GUT) bariondannelse

Store forenings teorier (GUT) søger at forene den stærke, den svage og elektromagnetiske vekselvirkning under meget høje energiforhold (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai og Higgs bozoner kan mediere protonhenfald eller andre processer, der bryder baryontallet. Hvis disse processer foregår ude af termisk ligevægt, i det tidlige univers kan de i princippet generere baryonasymmetri. Det er dog nødvendigt, at CP-bruddet i disse GUT-scenarier er tilstrækkeligt stort, og protonhenfald, som GUT forudsiger, er endnu ikke blevet observeret eksperimentelt blev opdaget med de forventede frekvenser. Det begrænser de simplere GUT baryogenese-modeller.

5.3 Leptogenese

Leptogenese starter med asymmetri mellem leptoner og antileptoner. Denne leptonasymmetri omdannes senere via sphaleron-processer i den elektrosvage i perioden delvist omdannet til baryonasymmetri, da disse processer kan for at konvertere leptoner til baryoner. En populær mekanisme er:

  1. "Seesaw"-mekanismen: Tunge højresnoede neutrinoer introduceres neutrinoer (eller andre tunge leptoner).
  2. Disse tunge neutrinoer kan henfalde via CP-brud og skabe asymmetri i leptonsektoren asymmetri.
  3. Sphaleron-interaktioner omdanner en del af denne leptonasymmetri til baryonasymmetri. asymmetri.

Leptogenese er attraktiv, fordi den forbinder oprindelsen af neutrino-masser (observerbar neutrino-oscillationer) med ubalance mellem kosmisk stof og antistof. Derudover mangler den nogle begrænsende faktorer, der hindrer for elektrosvag bariondannelse, og derfor nævnes den ofte som en af hovedårsagerne komponenter af nye fysikteorier.

6. Udførte eksperimenter og fremtidige retninger

6.1 Højenergi-acceleratorer

Acceleratorer som Large Hadron Collider (LHC) – især eksperimentet LHCb – kan være følsomt over for CP-brud i henfald af forskellige mesoner (B, D osv.). Ved at måle omfanget af CP-brud og ved at sammenligne det med Standardmodellens forudsigelser, håber forskere at finde af uoverensstemmelser, som kunne indikere ny fysik uden for Standardmodellen.

  • LHCb: Specialiserer sig i præcise målinger af sjældne henfald og CP-brud i b-quark sektoren i undersøgelser.
  • Belle II (KEK i Japan) og det allerede afsluttede BaBar (SLAC) har også undersøgt CP-brud i B-mesoners i systemer.

6.2 Neutrinoforsøg

Næste generations neutrinooscillationsforsøg, såsom DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) i USA og Hyper-Kamiokande i Japan sigter mod høj præcision i målingerne CP-brudfase i PMNS-matricen. Hvis neutrinoer viste tydelig CP-brud, ville yderligere understøtte leptogenese som årsag til ubalancen mellem stof og antistof løsning, hypotesen.

6.3 Søgning efter protonforfald

Hvis GUT-bariongenese-scenarier er korrekte, kunne protonforfald være vigtig kilde til spor. Eksperimenter som Super-Kamiokande (og i fremtiden Hyper-Kamiokande) fastlægger strengt grænserne for protonens levetid for forskellige forfaldskanaler. Enhver opdagelse af protonforfald ville være yderst vigtig, da den ville give alvorlige spor om brud på baryontallet ved høje energiniveauer.

6.4 Søgning efter axioner

Selvom axioner (hypotetiske partikler relateret til det stærke CP-problem løsning) er ikke direkte relateret til bariongenese i traditionel forstand, de er også kunne spille en vis rolle i det tidlige univers' termiske historie og at bestemme mulige disproportionaliteter mellem stof og antistof. Derfor kan søgningen efter axioner forbliver en vigtig del i løsningen af det samlede universpuslespil.

Konklusion

Kosmisk dominans af stof over antistof forbliver en af de vigtigste åbne fysikspørgsmål. Standardmodellen forudsiger en vis CP-brud, men utilstrækkelig til at forklare det observerede asymmetriniveau. Denne uoverensstemmelse behovet for ny fysik – eller højere energi (f.eks. på DVT-skala), eller ved at indføre yderligere partikler og interaktioner, som endnu ikke er fundet.

Selvom elektrosvag bariongenese, DVT bariongenese og leptogenese er mulige mekanismer, kræver yderligere eksperimentel og teoretisk analyse. Højpræcisions eksperimenter i acceleratorfysik, neutrino-oscillationsstudier og sjældne henfald undersøgelser og astrofysiske observationer fortsætter med at teste disse teorier. Svaret på spørgsmålet om, hvorfor stof vandt over antistof, kan ikke kun udvide vores forståelse af universets oprindelse, men også afsløre helt nye aspekter af vores virkelighed aspekter.

Anbefalede kilder og yderligere læsning

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Bevis for 2π henfald af K20 Meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Link]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Brud på CP-invarians, C-asymmetri, og Baryon Asymmetri i Universet.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Omfattende data og en oversigtskilde om partikelegenskaber, CP-overtrædelse og fysik uden for Standardmodellens grænser.
  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. – En klassisk bog om kosmologiske processer, herunder baryogenese.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Behandler detaljeret inflation og nukleosyntese og baryogenese.

Disse arbejder giver en dybere teoretisk og eksperimentel kontekst om CP-overtrædelse, overtrædelse af baryontallet og mulige asymmetrier mellem stof og antistof i universet mekanismer. Med stigende mængde af nye eksperimentelle data nærmer vi os svaret į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, eller intet?

Vend tilbage til bloggen