Medžiaga prieš antimateriją

Υλικό εναντίον της αντιύλης

Ύλη vs. Αντιύλη: ανισορροπία που επέτρεψε στην ύλη να κυριαρχήσει

Ένα από τα βαθύτερα μυστήρια της σύγχρονης φυσικής και κοσμολογίας είναι γιατί το δικό μας Το Σύμπαν αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από ύλη, και η αντιύλη είναι πολύ λίγη σε αυτό. Βάσει της τρέχουσας κατανόησης, η ύλη και η αντιύλη θα έπρεπε να ήταν δημιουργήθηκαν σε σχεδόν ίσες ποσότητες στις πρώτες στιγμές μετά το Μεγάλο έκρηξη, οπότε θα έπρεπε να έχουν αλληλοεξουδετερωθεί πλήρως – αλλά αυτό δεν συνέβη. Μικρή η περίσσεια ύλης (περίπου ένα μέρος ανά δισεκατομμύριο) παρέμεινε και σχημάτισε γαλαξίες, αστέρια, πλανήτες και τελικά τη ζωή όπως την γνωρίζουμε. Αυτή η προφανής η ασυμμετρία ύλης και αντιύλης συχνά αναφέρεται ασυμμετρία βαρυονικού Σύμπαντος όρος και στενά συνδεδεμένος με φαινόμενα που ονομάζονται παραβίαση KP (αγγλικά CP) και βαρυογένεση.

Σε αυτό το άρθρο θα συζητήσουμε:

  1. Μια σύντομη ιστορική προοπτική της ανακάλυψης της αντιύλης.
  2. Η φύση της ανισορροπίας ύλης και αντιύλης.
  3. Η συμμετρία KP (φορτίου και παρατηρητικότητας) και η παραβίασή της.
  4. Οι συνθήκες Sacharov για τη βαρυογένεση.
  5. Προτεινόμενες υποθέσεις για το σχηματισμό ασυμμετρίας ύλης και αντιύλης (π.χ., ηλεκτρασθενής βαρυογένεση, λεπτογένεση).
  6. Εκτελούμενα πειράματα και μελλοντικές κατευθύνσεις.

Στο τέλος του άρθρου θα έχετε μια συνολική κατανόηση γιατί, κατά τη γνώμη μας, στο Σύμπαν υπάρχει περισσότερη ύλη από αντιύλη, και θα μάθετε πώς η επιστήμη προσπαθεί να καθοριστεί ο ακριβής μηχανισμός που προκαλεί αυτή την κοσμική ανισορροπία.

1. Ιστορικό πλαίσιο: η ανακάλυψη της αντιύλης

Την έννοια της αντιύλης πρόβλεψε θεωρητικά για πρώτη φορά ο Άγγλος φυσικός Ο Πωλ Ντιράκ το 1928 συνέθεσε ένα σύνολο εξισώσεων (εξίσωση Dirac), που περιγράφει σχετικιστικά κινούμενα ηλεκτρόνια. Αυτή η εξίσωση απροσδόκητα επέτρεψε να βρεθούν λύσεις που αντιστοιχούν σε σωματίδια με θετική και αρνητική ενέργεια. Οι λύσεις της «αρνητικής ενέργειας» αργότερα ερμηνεύτηκαν ως σωματίδια με ίση μάζα με το ηλεκτρόνιο, αλλά με αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο.

  1. Ανακάλυψη του ποζιτρονίου (1932): Το 1932 ο Αμερικανός φυσικός Ο Κάρλ Άντερσον επιβεβαίωσε πειραματικά την ύπαρξη της αντιύλης την ύπαρξη ανιχνεύοντας το ποζιτρόνιο (αντισωματίδιο του ηλεκτρονίου) σε κοσμικές ακτίνες σε αποτυπώματα που άφησαν.
  2. Αντιπρωτόνιο και αντινετρόνιο: Το αντιπρωτόνιο ανακαλύφθηκε το 1955 Ο Emilijo Segre και ο Ouenas Čemberlenas, ενώ το αντινετρόνιο ανακαλύφθηκε το 1956.

Αυτές οι ανακαλύψεις ενίσχυσαν την ιδέα ότι για κάθε είδος σωματιδίου του Standartinio modelio υπάρχει αντισωματίδιο με αντίθετους κβαντικούς αριθμούς (π.χ., ηλεκτρικό φορτίο, τον βαρυονικό αριθμό), αλλά την ίδια μάζα και στροβίλους.

2. Η φύση της ανισορροπίας ύλης και αντιύλης

2.1 Ομοιόμορφη δημιουργία στο πρώιμο Σύμπαν

Κατά τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν ήταν εξαιρετικά ζεστό και πυκνό, οπότε η ενέργεια το επίπεδο ήταν αρκετά υψηλό ώστε να σχηματιστούν σωματίδια ύλης και αντιύλης ζεύγους. Σύμφωνα με την κοινή αντίληψη, κατά μέσο όρο για κάθε παραγόμενη ύλη για κάθε σωματίδιο έπρεπε να δημιουργηθεί και το αντίστοιχο αντισωματίδιο. Καθώς το Σύμπαν επεκτεινόταν και καθώς ψύχονταν, αυτά τα σωματίδια και τα αντισωματίδιά τους έπρεπε να αλληλοεξουδετερωθούν σχεδόν πλήρως, μετατρέποντας τη μάζα σε ενέργεια (συνήθως σε φωτόνια γ-ακτινοβολίας).

2.2 Υπόλοιπη ύλη

Ωστόσο, οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι το Σύμπαν αποτελείται κυρίως από ύλη. Η καθαρή η ανισορροπία είναι μικρή, αλλά ήταν καθοριστική. Αυτόν τον λόγο μπορούμε ποσοτικά εκτιμημένο, λαμβάνοντας υπόψη την πυκνότητα των βαρυονίων (ύλης) και την πυκνότητα των φωτονίων Συγκρίνουμε το λόγο, συχνά σημειωμένο η = (nB - n̄B) / nγ. Κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου (ΚΜΥ) – που προέρχονται από αποστολές όπως COBE, WMAP και Planck – δεδομένα δείχνει:

η ≈ 6 × 10−10.

Αυτό σημαίνει ότι για κάθε δισεκατομμύριο φωτόνια που απέμειναν μετά το Μεγάλο Μπαμ, αντιστοιχεί περίπου ένα πρωτόνιο (ή νετρόνιο) – αλλά το πιο σημαντικό είναι ότι αυτό το ένα ο βαρυόνιος ξεπέρασε τον αντίστοιχο αντιβαρυόνιό του. Ανακύπτει το ερώτημα: πώς προέκυψε αυτή η μικρή αλλά ουσιαστική ασυμμετρία;

3. Συμμετρία KP και η παραβίασή της

3.1 Συμμετρία στη φυσική

Στη φυσική σωματιδίων, η συμμετρία K (συζυγία φορτίου) σημαίνει τα σωματίδια και την ανταλλαγή των αντισωματιδίων τους. Η P (παρατηρητική) συμμετρία σημαίνει χωρική αντιστροφή ανάκλασης (αλλαγή του προσήμου των χωρικών συντεταγμένων). Αν ο φυσικός νόμος παραμένει αμετάβλητη όταν εφαρμόζονται οι μετασχηματισμοί K και P (δηλαδή "αν η εικόνα παραμένει είναι η ίδια όταν τα σωματίδια αντικαθίστανται από τα αντισωματίδιά τους και το αριστερό και το δεξί ανταλλάσσονται σε ορισμένα σημεία"), λέμε ότι τηρείται η συμμετρία KP.

3.2 Η πρώιμη ανακάλυψη της παραβίασης KP

Αρχικά θεωρήθηκε ότι η συμμετρία KP μπορεί να είναι θεμελιώδης ιδιότητα της φύσης, ειδικά μετά από το, και τη δεκαετία του 1950 ανακαλύφθηκε μόνο η παραβίαση του παρατηρητικού συμμετρίας (P). Ωστόσο, το 1964 Τζέιμς Κρόνιν και Βαλ Φιτς διαπίστωσαν ότι καόνια νετρίνων (K0) κατά τη διάσπαση παραβιάζει τη συμμετρία CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Αυτό το επαναστατικό αποτέλεσμα έδειξε ότι ακόμη και η παραβίαση CP μερικές φορές μπορεί να παραβιάζεται σε ορισμένες διαδικασίες ασθενούς αλληλεπίδρασης.

3.3 Παραβίαση CP στο Πρότυπο Μοντέλο

Στο Πρότυπο Μοντέλο της φυσικής σωματιδίων, η παραβίαση CP μπορεί να προκύψει από φάσεις στη μήτρα Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), που περιγράφει πώς τα κουάρκ των διαφόρων «γεύσεων» μετατρέπονται το ένα στο άλλο μέσω της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Αργότερα, στη φυσική των νετρίνων, εμφανίστηκε ένας άλλος όρος μήτρας ανάμειξης – Μήτρα Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS), που μπορεί επίσης να υπάρχουν φάσεις που παραβιάζουν CP. Ωστόσο, μέχρι σήμερα το παρατηρούμενο μέγεθος παραβίασης CP σε αυτούς στους τομείς είναι πολύ μικρή για να εξηγήσει τη βαρυονική ασυμμετρία. Επομένως, θεωρείται ότι υπάρχουν επιπλέον πηγές παραβίασης CP εκτός των ορίων του Πρότυπου Μοντέλου.

4. Οι προϋποθέσεις του Σαχάροφ για τη βαρυογένεση

Το 1967 ο Ρώσος φυσικός Αντρέι Σαχάροφ διατύπωσε τρεις απαραίτητες προϋποθέσεις ώστε στο πρώιμο Σύμπαν να μπορούσε να εμφανιστεί ύλη και ασυμμετρία αντιύλης (Σαχάροφ, 1967 [2]):

  1. Παραβίαση του βαρυονικού αριθμού: Πρέπει να συμβεί αλληλεπίδραση ή διαδικασίες που αλλάζουν τον καθαρό βαρυονικό αριθμό B. Εάν ο βαρυονικός αριθμός είναι αυστηρά διατηρείται, δεν μπορεί να σχηματιστεί ασυμμετρία βαρυόνων και αντιβαρυόνων.
  2. Παραβίαση των K και CP: Διαδικασίες που διαχωρίζουν την ύλη και αντιύλη, είναι απαραίτητα. Εάν οι K και CP ήταν τέλειες συμμετρίες, οποιαδήποτε διαδικασία η δημιουργία περισσότερων βαρυόνων από αντιβαρύονες θα πρέπει να έχει καθρέφτη αντίστοιχο, που δημιουργούνται τόσοι αντιβαρύονες, ακυρώνοντας έτσι οποιαδήποτε περίσσεια.
  3. Απόκλιση από τη θερμική ισορροπία: Στη θερμική ισορροπία οι διαδικασίες δημιουργίας και ανίχνευσης σωματιδίων συμβαίνουν εξίσου και προς τις δύο κατευθύνσεις, έτσι διατηρείται η ισορροπία. Ένα μη θερμικά ισορροπημένο περιβάλλον, για παράδειγμα, μια γρήγορα επεκτεινόμενη και ψυχόμενη Σύμπαν, επιτρέπει σε ορισμένες διαδικασίες «καταγεγραμμένη» ασυμμετρία.

Κάθε επιτυχημένη θεωρία ή μηχανισμός βαρυογένεσης πρέπει να ικανοποιεί αυτές τις τρεις προϋποθέσεις για να εξηγηθεί η παρατηρούμενη ανισορροπία ύλης και αντιύλης.

5. Προτεινόμενοι μηχανισμοί σχηματισμού ασυμμετρίας ύλης και αντιύλης

5.1 Ηλεκτρασθενής βαρυογένεση

Ηλεκτρασθενής βαρυογένεση υποστηρίζει ότι η βαρυονική ασυμμετρία δημιουργήθηκε περίπου την εποχή που συνέβαινε η ηλεκτρασθενής φάση της μεταβατικής περιόδου (~10−11 δευτ. από το Μεγάλο Μπαμ). Κύρια σημεία:

  • Το πεδίο Higgs αποκτά μη γραμμική τιμή κενού και έτσι σπάζει αυθόρμητα τη ηλεκτροασθενή συμμετρία.
  • Οι μη-παραμορφωτικές διαδικασίες, που ονομάζονται σφεραλόνια, μπορούν να παραβιάσουν τον συνολικό αριθμό βαρυονίων και λεπτονίων (B+L), αλλά να διατηρήσει τους αριθμούς βαρυονίων και λεπτονίων τη διαφορά (B−L).
  • Η φασική μετάβαση, αν ήταν πρώτης τάξης (δηλαδή χαρακτηριστική για το σχηματισμό φυσαλίδων), δημιουργούσαν την απαραίτητη απόκλιση από τη θερμική ισορροπία.
  • διαδικασίες αλληλεπίδρασης που παραβιάζουν CP στον τομέα Higgs ή κατά την ανάμειξη κουάρκ συνεισέφερε στην ανισορροπία ύλης και αντιύλης που δημιουργείται στις φυσαλίδες.

Δυστυχώς, στο τρέχον εύρος παραμέτρων του Προτύπου Μοντέλου (ειδικά με μάζα 125 GeV για την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs) είναι απίθανο η ηλεκτροασθενής φασική μετάβαση ήταν πρώτης τάξης. Επιπλέον, η παραβίαση CP που παρέχει ο πίνακας CKM είναι πολύ μικρή. Επομένως πολλοί οι θεωρητικοί προτείνουν τη φυσική που υπάρχει έξω από το Πρότυπο Μοντέλο – για παράδειγμα, επιπλέον βαθμωτά πεδία – ώστε η ηλεκτροασθενής βαρυγένεση να γίνει πιο ρεαλιστική.

5.2 DVT (GUT) βαρυγένεση

Οι Μεγάλες Θεωρίες Ενοποίησης (GUT) επιδιώκουν να ενώσουν την ισχυρή, την ασθενή και ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση υπό συνθήκες πολύ υψηλής ενέργειας (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos μποζόνια ar Higso μποζόνια μπορούν να μεσολαβήσουν στη διάσπαση του πρωτονίου ή άλλες διαδικασίες που παραβιάζουν τον αριθμό βαρυονίων. Εάν αυτές οι διαδικασίες συμβαίνουν εκτός θερμικής ισορροπίας στο περιβάλλον του πρώιμου Σύμπαντος, μπορούν ουσιαστικά να παράγουν βαρυονική ασυμμετρία. Ωστόσο, είναι απαραίτητο η παραβίαση CP σε αυτά τα σενάρια GUT να είναι αρκετά μεγάλη, και η διάσπαση του πρωτονίου, που προβλέπεται από τα GUT, δεν έχει ακόμη επιτευχθεί πειραματικά να ανιχνευθούν σε συχνότητες που αναμένονταν. Αυτό περιορίζει τα απλούστερα GUT μοντέλα βαρυογένεσης.

5.3 Λεπτογένεση

Η Λεπτογένεση ξεκινά από ασυμμετρία λεπτονίων και αντιλεπτονίων. Αυτή η λεπτονική ασυμμετρία αργότερα μέσω διαδικασιών σφεραλόνων του ηλεκτρασθενούς κατά τη διάρκεια της περιόδου μετατρέπεται εν μέρει σε βαρυονική ασυμμετρία, καθώς αυτές οι διαδικασίες μπορούν λεπτόνια για να μετατραπούν σε βαρυόνια. Ένας δημοφιλής μηχανισμός είναι:

  1. Μηχανισμός «Seesaw»: Εισάγονται βαριά δεξιόστροφα νετρίνα (ή άλλα βαριά λεπτόνια).
  2. Αυτά τα βαριά νετρίνα μπορούν να διασπαστούν μέσω παραβίασης CP, δημιουργώντας ασυμμετρία στον τομέα των λεπτονίων ασυμμετρία.
  3. Μέρος της αλληλεπίδρασης των σφεραλόνων μετατρέπει αυτή την λεπτονική ασυμμετρία σε βαρυονική ασυμμετρία.

Η Λεπτογένεση είναι ελκυστική επειδή συνδέει την προέλευση της μάζας των νετρίνων (παρατηρήσιμη σε ταλαντώσεις νετρίνων) με ασυμμετρία κοσμικής ύλης και αντιύλης. Επιπλέον, δεν έχει ορισμένους περιοριστικούς παράγοντες που εμποδίζουν για την ηλεκτρασθενή βαρυογένεση, γι' αυτό συχνά αναφέρεται ως μία από τις βασικές συστατικά θεωριών νέας φυσικής.

6. Πειράματα σε εξέλιξη και μελλοντικές κατευθύνσεις

6.1 Επιταχυντές υψηλής ενέργειας

Τέτοιοι επιταχυντές όπως ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) – ιδιαίτερα το πείραμα LHCb – μπορεί να είναι ευαίσθητα στην παραβίαση CP σε αποσυνθέσεις διαφόρων μεσονίων (B, D κ.ά.). Μετρώντας το μέγεθος της παραβίασης CP και συγκρίνοντάς το με τις προβλέψεις του Προτύπου Μοντέλου, οι επιστήμονες ελπίζουν να βρουν αντιστοιχιών που θα μπορούσαν να υποδηλώνουν νέα φυσική πέρα από το Πρότυπο Μοντέλο.

  • LHCb: Ειδικεύεται σε ακριβείς μετρήσεις σπάνιων αποσυνθέσεων και παραβίασης CP σε μελέτες του τομέα b-κουάρκ.
  • Belle II (KEK στην Ιαπωνία) και το ολοκληρωμένο BaBar (SLAC) επίσης εξέτασε την παραβίαση CP σε μεσόνια B σε συστήματα.

6.2 Πειράματα νετρίνων

Πειράματα νέας γενιάς για τις ταλαντώσεις νετρίνων, όπως DUNE (Βαθιά υπόγειο πείραμα νετρίνων) στις ΗΠΑ και Hyper-Kamiokande στην Ιαπωνία, στοχεύει σε υψηλή ακρίβεια μέτρησης Φάση παραβίασης CP στον πίνακα PMNS. Εάν τα νετρίνα έδειχναν έντονη παραβίαση CP, θα υποστήριζε περαιτέρω τη λεπτογένεση ως την αιτία της ανισορροπίας ύλης και αντιύλης λύση, την υπόθεση.

6.3 Αναζήτηση διάσπασης πρωτονίων

Εάν τα σενάρια βαρυογένεσης GUT είναι σωστά, η διάσπαση πρωτονίου θα μπορούσε να είναι σημαντική πηγή ενδείξεων. Πειράματα όπως Super-Kamiokande (και στο μέλλον Hyper-Kamiokande) ορίζει αυστηρά τα όρια ζωής του πρωτονίου για διάφορα κανάλια διάσπασης. Οποιαδήποτε ανακάλυψη διάσπασης πρωτονίου θα ήταν εξαιρετικά σημαντική, καθώς θα παρείχε σοβαρές ενδείξεις για παραβίαση του βαρυονικού αριθμού σε υψηλά ενεργειακά επίπεδα.

6.4 Αναζήτηση αξιόνων

Αν και τα αξιόνια (υποθετικά σωματίδια που σχετίζονται με το πρόβλημα της ισχυρής CP η λύση) δεν σχετίζεται άμεσα με τη βαρυογένεση με την παραδοσιακή έννοια, αλλά επίσης θα μπορούσαν να διαδραματίσουν κάποιο ρόλο στην πρώιμη θερμική ιστορία του Σύμπαντος και να προκαλέσει πιθανές ανισορροπίες ύλης και αντιύλης. Επομένως, οι αναζητήσεις αξιόνων παραμένει σημαντικό μέρος της επίλυσης του συνολικού παζλ του Σύμπαντος.

Συμπέρασμα

Η κοσμική κυριαρχία της ύλης έναντι της αντιύλης παραμένει ένα από τα βασικά ανοικτά ερωτήματα της φυσικής. Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει ορισμένη παραβίαση CP, όμως ανεπαρκή για να εξηγήσει το παρατηρούμενο μέγεθος της ασυμμετρίας. Αυτή η ασυμφωνία υποδεικνύει την ανάγκη για νέα φυσική – ή υψηλότερης ενέργειας (π.χ., σε κλίμακα DVT), ή εισάγοντας επιπλέον σωματίδια και αλληλεπιδράσεις που ακόμα δεν έχει ανακαλυφθεί.

Αν και η ηλεκτρασθενής barigenezė, DVT barigenezė και leptogenezė είναι πιθανές μηχανισμοί, απαιτείται περαιτέρω πειραματική και θεωρητική ανάλυση. Υψηλής ακρίβειας πειράματα φυσικής επιταχυντών, μελέτες ταλάντωσης νετρίνων και σπάνιων διασπάσεων έρευνες και αστροφυσικές παρατηρήσεις συνεχίζουν να ελέγχουν αυτές τις θεωρίες. Η απάντηση στο το ερώτημα γιατί η ύλη επικράτησε της αντιύλης, μπορεί όχι μόνο να διευρύνει την κατανόηση για την προέλευση του Σύμπαντος, αλλά και να αποκαλύψει εντελώς νέες πτυχές της πραγματικότητάς μας πτυχές.

Προτεινόμενες πηγές και περαιτέρω ανάγνωση

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Αποδείξεις για το 2π Διάσπαση του K20 Μεσόνιο.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Σύνδεσμος]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Παραβίαση της CP Αμεταβλητότητας, Ασύμμετρία C, και Ασύμμετρία Βαρυόνων του Σύμπαντος.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Αναλυτικά δεδομένα και πηγή ανασκόπησης για τις ιδιότητες των σωματιδίων, την παραβίαση CP και τη φυσική πέρα από Τα όρια του Κανονικού Μοντέλου.
  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. – Κλασικό βιβλίο για κοσμολογικές διαδικασίες, συμπεριλαμβανομένης της βαρυογένεσης.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Εξετάζει διεξοδικά τον πληθωρισμό, τη σύντηξη πυρήνων και τη βαρυογένεση.

Αυτές οι εργασίες παρέχουν βαθύτερο θεωρητικό και πειραματικό πλαίσιο για την παραβίαση της CP, παραβίαση του αριθμού των βαρυονίων και πιθανές ασυμμετρίες ύλης-αντιύλης στο Σύμπαν μηχανισμούς. Καθώς αυξάνεται ο όγκος των νέων πειραματικών δεδομένων, πλησιάζουμε στην απάντηση į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, τι είναι;

Επιστροφή στο blog