Medžiaga prieš antimateriją

Material gegen Antimaterie

Materie vs. Antimaterie: Ungleichgewicht, das der Materie Dominanz verlieh

Eines der tiefgründigsten Rätsel der modernen Physik und Kosmologie ist, warum unser Das Universum besteht fast ausschließlich aus Materie, und Antimaterie ist darin sehr selten. Nach heutigem Verständnis hätten Materie und Antimaterie fast in gleichen Mengen entstanden in den allerersten Momenten nach dem Großen Explosion, daher hätten sie sich vollständig vernichten müssen – doch das geschah nicht. Ein kleiner Materieüberschuss (etwa ein Teil pro Milliarde) blieb erhalten und bildete Galaxien, Sterne, Planeten und schließlich das Leben, wie wir es kennen. Dieser offensichtliche Die Asymmetrie von Materie und Antimaterie wird oft bezeichnet als der Begriff baryonische Asymmetrie des Universums und eng damit verbunden Phänomene, die als KP (engl. CP) Verletzung bezeichnet werden, und Baryogenese.

In diesem Artikel werden wir Folgendes besprechen:

  1. Eine kurze historische Perspektive zur Entdeckung der Antimaterie.
  2. Die Natur des Ungleichgewichts zwischen Materie und Antimaterie.
  3. KP (Ladungs- und Paritätssymmetrie) und deren Verletzung.
  4. Sakharov-Bedingungen für die Baryogenese.
  5. Vorgeschlagene Hypothesen zur Entstehung der Asymmetrie von Materie und Antimaterie (z. B. elektroschwache Baryogenese, Leptogenese).
  6. Laufende Experimente und zukünftige Richtungen.

Am Ende des Artikels werden Sie ein allgemeines Verständnis dafür haben, warum wir glauben, dass es im Universum mehr Materie als Antimaterie existiert und wie die Wissenschaft versucht, den genauen Mechanismus zu bestimmen, der dieses kosmische Ungleichgewicht verursacht.

1. Historischer Kontext: Entdeckung der Antimaterie

Die Antimateriekonzeption wurde erstmals theoretisch vom englischen Physiker Paul Dirac stellte 1928 ein Gleichungssystem (Dirac-Gleichung) auf, relativistisch bewegte Elektronen beschreibend. Diese Gleichung ermöglichte unerwartet die Entdeckung Lösungen interpretiert, die Teilchen mit positiver und negativer Energie entsprechen. „Lösungen mit negativer Energie“ wurden später als Teilchen mit die gleiche Masse wie das Elektron, jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen der elektrischen Ladung.

  1. Entdeckung des Positrons (1932): 1932 entdeckte der amerikanische Physiker Carl Anderson bestätigte experimentell die Antimaterie die Existenz entdeckte, indem er das Positron (das Antiteilchen des Elektrons) in kosmischer Strahlung in hinterlassenen Spuren.
  2. Antiproton und Antineutron: Das Antiproton wurde 1955 entdeckt Emilio Segrè und Owen Chamberlain, und das Antineutron wurde 1956 entdeckt.

Diese Entdeckungen stärkten die Vorstellung, dass für jede Teilchenart des Standardmodells es existiert ein Antiteilchen mit entgegengesetzten Quantenzahlen (z. B. elektrische Ladung, baryonische Zahl), aber dieselbe Masse und Drehimpulse.

2. Die Natur des Ungleichgewichts zwischen Materie und Antimaterie

2.1 Gleichmäßige Entstehung im frühen Universum

Während des Urknalls war das Universum extrem heiß und dicht, daher war die Energie Das Niveau war hoch genug, um Materie- und Antimaterieteilchen zu erzeugen Paar. Nach herkömmlichem Verständnis wurde im Durchschnitt für jede entstandene Materie für jedes Teilchen musste ein entsprechendes Antiteilchen erzeugt werden. Mit der Ausdehnung des Universums Beim Abkühlen mussten sich diese Teilchen und Antiteilchen nahezu vollständig vernichten, wandeln Masse in Energie um (meist in Form von Gammastrahlen-Photonen).

2.2 Verbleibende Materie

Beobachtungen zeigen jedoch, dass das Universum hauptsächlich aus Materie besteht. Die reine Das Missverhältnis ist gering, aber genau dieses war entscheidend. Dieses Verhältnis kann quantitativ bewertet, unter Betrachtung der Dichte von Baryonen (Materie) und Photonen Im Universumsverhältnis, oft bezeichnet als η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmischer Mikrowellenhintergrund (KMF) – gewonnen aus Missionen wie COBE, WMAP und Planck – Daten zeigt:

η ≈ 6 × 10−10.

Das bedeutet, dass auf eine Milliarde Photonen, die nach dem Urknall übrig blieben, etwa ein Proton (oder Neutron) – aber am wichtigsten ist, dass dieses eine das Baryon übertraf sein entsprechendes Antibaryon. Es stellt sich die Frage: wie entstand diese winzige, aber wesentliche Asymmetrie?

3. KP-Symmetrie und ihr Verstoß

3.1 Symmetrien in der Physik

In der Teilchenphysik bedeutet K (Ladungskonjugation)-Symmetrie den Austausch von Teilchen und den Austausch ihrer Antiteilchen. P (Paritäts-)Symmetrie bedeutet räumliche eine Inversionsspiegelung (Vorzeichenänderung der Raumkoordinaten). Wenn ein physikalisches Gesetz bleibt unverändert bei Anwendung von K- und P-Transformationen (d. h. "wenn das Bild unverändert bleibt gleich, wenn Teilchen durch Antiteilchen ersetzt werden und links und rechts vertauscht sind an manchen Stellen" sagen wir, dass die KP-Symmetrie eingehalten wird.

3.2 Frühe Entdeckung des KP-Verstoßes

Anfangs wurde angenommen, dass die KP-Symmetrie eine fundamentale Eigenschaft der Natur sein könnte, besonders nach und in den 1950er Jahren wurde nur ein Paritäts(P)-Verstoß entdeckt. Doch 1964 James Cronin und Val Fitch stellten fest, dass Neutrino-Kaonen (K0) beim Zerfall die CP-Symmetrie verletzt (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Dieses revolutionäre Ergebnis zeigte, dass selbst CP manchmal in bestimmten Prozessen der schwachen Wechselwirkung verletzt werden.

3.3 CP-Verletzung im Standardmodell

Im Standardmodell der Teilchenphysik kann CP-Verletzung aus Phasen Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-Matrix, die beschreibt, wie verschiedene „Geschmacks“-Quarks wandeln sich durch die schwache Wechselwirkung ineinander um. Später, in der Neutrino-Physik entstand ein weiterer Term der Mischmatrix – Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS)-Matrix, die auch CP-verletzende Phasen haben. Bis heute ist das Ausmaß der beobachteten CP-Verletzung in diesen in den Sektoren ist zu gering, um die baryonische Asymmetrie. Daher wird angenommen, dass zusätzliche Quellen der CP-Verletzung existieren außerhalb des Standardmodells.

4. Sacharows Bedingungen für die Baryogenese

1967 formulierte der russische Physiker Andrej Sacharow drei notwendige Bedingungen, damit in der frühen Universum Materie und Antimaterie-Asymmetrie (Sacharow, 1967 [2]):

  1. Verletzung der Baryonenzahl: Es muss eine Wechselwirkung oder Prozesse, die die reine Baryonenzahl B verändern. Wenn die Baryonenzahl streng erhalten, kann keine Asymmetrie zwischen Baryonen und Antibaryonen entstehen.
  2. K- und CP-Verletzung: Prozesse, die Materie und Antimaterie, sind notwendig. Wenn K und CP perfekte Symmetrien wären, könnte kein Prozess, die mehr Baryonen als Antibaryonen erzeugt, sollte ein spiegelbildliches Gegenstück haben, das werden genauso viele Antibaryonen erzeugt, wodurch ein Überschuss "annulliert" wird.
  3. Abweichung vom thermischen Gleichgewicht: Im thermischen Gleichgewicht Teilchenerzeugungs- und Vernichtungsprozesse laufen in beiden Richtungen gleich ab, daher das Gleichgewicht bleibt erhalten. Eine termisch ausgeglichene Umgebung, zum Beispiel, sich schnell ausdehnendes und abkühlendes Universum ermöglicht bestimmten Prozessen „eingefangene“ Asymmetrie erfüllen.

Jede erfolgreiche Theorie oder jeder Mechanismus der Baryogenese muss diese drei Bedingungen, um das beobachtete Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie zu erklären.

5. Vorgeschlagene Mechanismen zur Entstehung der Materie- und Antimaterie-Asymmetrie

5.1 Elektroschwache Baryogenese

Elektroschwache Baryogenese besagt, dass die baryonische Asymmetrie entstand ungefähr zu der Zeit, als die elektroschwache phasenübergangsphase stattfand (~10−11 Sek. nach dem Urknall). Hauptaspekte:

  • Das Higgs-Feld nimmt einen nichtlinearen Vakuumerwartungswert an und dadurch bricht spontan die elektroschwache Symmetrie.
  • Nichtperturbative Prozesse, sogenannte Sphaleronen, können verletzen die Gesamtzahl der Baryonen und Leptonen (B+L), aber die Baryon- und Leptonenzahlen Differenz (B−L).
  • Der Phasenübergang, wenn er erster Ordnung wäre (d.h. charakteristisch für die Blasenbildung), die notwendige Abweichung vom thermischen Gleichgewicht erzeugen.
  • CP-verletzende Wechselwirkungsprozesse im Higgs-Sektor oder während der Quarkmischung zum Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie beiträgt, das in Blasen entsteht.

Leider ist im aktuellen Parameterbereich des Standardmodells (insbesondere bei einer Masse von 125 GeV Entdeckung des Higgs-Bosons) ist es unwahrscheinlich, dass die elektroschwache Phasenübergangsphase war erster Ordnung. Außerdem ist die durch die CKM-Matrix vermittelte CP-Verletzung zu gering. Deshalb viele Theoretiker schlagen Physik jenseits des Standardmodells vor – zum Beispiel zusätzliche skalare Felder – damit die elektroschwache Baryogenese realistischer.

5.2 GUT (GUT) Baryogenese

Große Vereinheitlichungstheorien (GUT) zielen darauf ab, die starke, die schwache und elektromagnetische Wechselwirkung unter Bedingungen sehr hoher Energie (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai und Higgs-Bozon können den Protonenzerfall oder andere Prozesse, die die Baryonenzahl verletzen. Wenn diese Prozesse außerhalb des thermischen Gleichgewichts ablaufen, in der Umgebung des frühen Universums können sie im Wesentlichen eine Baryonasymmetrie erzeugen. Es ist jedoch notwendig, dass die CP-Verletzung in diesen GUT-Szenarien ausreichend groß ist, und der Protonenzerfall, den GUTs vorhersagen, konnte experimentell bisher nicht mit den erwarteten Frequenzen nachgewiesen werden. Dies schränkt einfachere GUTs ein, Baryogenese-Modelle.

5.3 Leptogenese

Leptogenese beginnt mit einer Asymmetrie von Leptonen und Antileptonen. Diese Leptonen-Asymmetrie wird später durch Sphaleron-Prozesse des elektroschwachen während des Zeitraums teilweise in baryonische Asymmetrie umgewandelt, da diese Prozesse Leptonen eingeführt, um sie in Baryonen umzuwandeln. Ein populärer Mechanismus:

  1. „Seesaw“-Mechanismus: Es werden schwere rechtschirale Neutrinos (oder andere schwere Leptonen).
  2. Diese schweren Neutrinos können durch CP-Verletzung zerfallen und den Leptonensektor erzeugen Asymmetrie um.
  3. Der Anteil der Sphaleron-Wechselwirkungen wandelt diesen leptonischen Asymmetrieanteil in baryonische Asymmetrie.

Leptogenese ist attraktiv, weil sie die Herkunft der Neutrinomassen verbindet (beobachtbar neutrino-Oszillationen) mit einem Ungleichgewicht von kosmischer Materie und Antimaterie. Außerdem fehlen ihr einige einschränkende Faktoren, die verhindern, für die elektroschwache Baryogenese, weshalb sie oft als eine der Hauptursachen genannt wird Bestandteile neuer physikalischer Theorien.

6. Durchgeführte Experimente und zukünftige Richtungen

6.1 Hochenergie-Beschleuniger

Beschleuniger wie der Large Hadron Collider (LHC) – insbesondere das Experiment LHCb – können empfindlich auf KP-Verletzungen reagieren in verschiedenen Zerfällen von Mesonen (B, D usw.). Durch die Messung des Ausmaßes der KP-Verletzung und indem sie diese mit den Vorhersagen des Standardmodells vergleichen, hoffen Wissenschaftler, Abweichungen, die auf neue Physik jenseits des Standardmodells hinweisen könnten.

  • LHCb: Spezialisiert auf präzise Messungen seltener Zerfälle und KP-Verletzungen im b-Quark-Sektor in Studien.
  • Belle II (KEK in Japan) und das bereits abgeschlossene BaBar (SLAC) untersuchte ebenfalls KP-Verletzungen bei B-Mesonen Systemen.

6.2 Neutrino-Experimente

Neutrinooszillations-Experimente der neuen Generation, wie DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) in den USA und Hyper-Kamiokande in Japan strebt eine hohe Genauigkeit bei der Messung an KP-Verletzungsphase in der PMNS-Matrix. Wenn Neutrinos eine deutliche KP-Verletzung zeigen würden, würde die Leptogenese als Ursache für das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie weiter stützen Lösung, die Hypothese.

6.3 Suche nach Protonenzerfall

Wenn GUT-Baryogenese-Szenarien korrekt sind, könnte der Protonenzerfall wichtige Hinweisquelle. Experimente wie Super-Kamiokande (und zukünftig Hyper-Kamiokande) legt strenge Grenzen für die Lebensdauer des Protons in verschiedenen Zerfallskanälen fest. Jeder Nachweis des Protonenzerfalls wäre äußerst wichtig, da er ernsthafte Hinweise liefern würde über Verletzungen der Baryonenzahl auf hohem Energieniveau.

6.4 Axionsuche

Obwohl Axionen (hypothetische Teilchen, die mit dem starken KP-Problem Lösung) nicht direkt mit Baryogenese im herkömmlichen Sinne verbunden sind, sie sind auch eine gewisse Rolle in der thermischen Geschichte des frühen Universums spielen und mögliche Ungleichgewichte zwischen Materie und Antimaterie zu bestimmen. Daher könnten Axionsuchen bleibt ein wichtiger Teil bei der Lösung des großen Puzzles des Universums.

Fazit

Die kosmische Dominanz von Materie über Antimaterie bleibt eine der Haupt offene Fragen der Physik. Das Standardmodell sagt eine gewisse KP-Verletzung voraus, jedoch unzureichend, um das beobachtete Ausmaß der Asymmetrie zu erklären. Diese Diskrepanz bedarf an neuer Physik – oder höherer Energie (z. B. im DVT-Maßstab), oder durch Einführung zusätzlicher Teilchen und Wechselwirkungen, die noch nicht entdeckt.

Obwohl elektroschwache Barogenese, DVT-Barogenese und Leptogenese sind mögliche Mechanismen, sind weitere experimentelle und theoretische Analysen notwendig. Hochpräzise Experimente in der Beschleunigerphysik, Untersuchungen von Neutrinooszillationen und seltenen Zerfällen Untersuchungen und astrophysikalische Beobachtungen prüfen diese Theorien weiterhin. Die Antwort auf Frage, warum Materie gegen Antimaterie gewonnen hat, kann nicht nur unser Verständnis über den Ursprung des Universums, sondern auch völlig neue Aspekte unserer Realität Aspekte.

Empfohlene Quellen und weiterführende Literatur

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Beweis für die 2π-Zerfall des K20 Meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Nuoroda]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Verletzung der CP-Invarianz, C-Asymmetrie, und Baryon-Asymmetrie des Universums.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Umfassende Daten und eine Übersichtsquelle über Teilcheneigenschaften, CP-Verletzung und Physik jenseits von Grenzen des Standardmodells.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Jüngste Fortschritte in Baryogenese.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “Der Ursprung der Materie-Antimaterie-Asymmetrie.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Ein klassisches Buch über kosmologische Prozesse, darunter auch Baryogenese.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Behandelt ausführlich Inflation, Kernfusion und Baryogenese.

Diese Arbeiten bieten einen tieferen theoretischen und experimentellen Kontext zur CP-Verletzung, Verletzung der Baryonenzahl und mögliche Materie-Antimaterie-Asymmetrien im Universum Mechanismen. Mit der Zunahme neuer experimenteller Daten nähern wir uns der Antwort į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, oder nichts?

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