Medžiaga prieš antimateriją

Material contra antimateria

Materia vs. Antimateria: desequilibrio que permitió la dominancia de la materia

Uno de los enigmas más profundos de la física y cosmología modernas es por qué nuestro El Universo está compuesto casi exclusivamente de materia, y hay muy poca antimateria en él. Según la comprensión actual, la materia y la antimateria deberían haber sido formadas en cantidades casi iguales en los primeros instantes después del Gran explosión, por lo que deberían haberse aniquilado completamente, pero no fue así. Un pequeño exceso de materia (aproximadamente una parte por mil millones) permaneció y formó galaxias, estrellas, planetas y finalmente la vida tal como la conocemos. Esta evidente la asimetría entre materia y antimateria a menudo se denomina el término asimetría bariónica del Universo y estrechamente relacionado con fenómenos conocidos como violación KP (ing. CP) y barigénesis.

En este artículo discutiremos:

  1. Breve perspectiva histórica del descubrimiento de la antimateria.
  2. La naturaleza del desequilibrio entre materia y antimateria.
  3. Simetría KP (carga y paridad) y su violación.
  4. Condiciones de Sakharov para la barigénesis.
  5. Hipótesis propuestas sobre la formación de la asimetría entre materia y antimateria (p. ej., barogénesis electrodébil, leptogénesis).
  6. Experimentos en curso y direcciones futuras.

Al final del artículo tendrá una comprensión general de por qué, en nuestra opinión, en el Universo hay más materia que antimateria, y aprenderá cómo la ciencia intenta determinar el mecanismo exacto que causa este desequilibrio cósmico.

1. Contexto histórico: el descubrimiento de la antimateria

La concepción de la antimateria fue predicha teóricamente por primera vez por el físico inglés Paul Dirac en 1928 formuló un conjunto de ecuaciones (la ecuación de Dirac), que describe electrones en movimiento relativista. Esta ecuación inesperadamente permitió encontrar soluciones que corresponden a partículas con energía positiva y energía negativa. Las soluciones de "energía negativa" fueron interpretadas posteriormente como partículas que tienen la misma masa que el electrón, pero con carga eléctrica de signo opuesto.

  1. Descubrimiento del positrón (1932): En 1932, el físico estadounidense Carl Anderson confirmó experimentalmente la antimateria existencia detectando el positrón (antipartícula del electrón) en los rayos cósmicos en las huellas dejadas.
  2. Antiprotón y antineutrón: El antiprotón fue descubierto en 1955 Emilio Segrè y Owen Chamberlain, y el antineutrón fue descubierto en 1956.

Estos descubrimientos reforzaron la idea de que para cada tipo de partícula del Modelo Estándar existe una antipartícula que tiene números cuánticos opuestos (p. ej., carga eléctrica, número bariónico), pero la misma masa y giros.

2. Naturaleza del desequilibrio entre materia y antimateria

2.1 Formación uniforme en el Universo temprano

Durante el Big Bang, el Universo era extremadamente caliente y denso, por lo que la energía el nivel era lo suficientemente alto como para formar partículas de materia y antimateria de pares. Según la comprensión habitual, en promedio para cada partícula de materia creada a cada partícula debía crearse una antipartícula correspondiente. A medida que el Universo se expandía y al enfriarse, estas partículas y antipartículas debieron aniquilarse casi por completo, convirtiendo masa en energía (generalmente en fotones de rayos gamma).

2.2 Materia restante

Sin embargo, las observaciones muestran que el Universo está compuesto principalmente de materia. La neta la desproporción es pequeña, pero fue decisiva. Esta relación puede evaluada cuantitativamente, observando la densidad de bariones (materia) y la densidad de fotones En la relación del Universo, a menudo denotada η = (nB - n̄B) / nγ. Fondo Cósmico de Microondas (CMB) – obtenido de misiones como COBE, WMAP y Planck – datos muestra:

η ≈ 6 × 10−10.

Esto significa que por cada mil millones de fotones que quedaron después del Big Bang, hay aproximadamente un protón (o neutrón), pero lo más importante es que ese uno el barión superó a su correspondiente antibarión. Surge la pregunta: ¿cómo surgió esta pequeña pero esencial asimetría?

3. Simetría CP y su violación

3.1 Simetría en la física

En la física de partículas, la simetría K (conjugación de carga) significa partículas y el intercambio de sus antipartículas. La simetría P (paridad) significa una inversión espacial una reflexión inversa (cambiar el signo de las coordenadas espaciales). Si una ley física permanece inalterado al realizar las transformaciones K y P (es decir, "si la imagen permanece es la misma cuando las partículas se reemplazan por antipartículas y la izquierda y la derecha se intercambian en algunos lugares"), decimos que se conserva la simetría CP.

3.2 Descubrimiento temprano de la violación de CP

Inicialmente se pensó que la simetría CP podría ser una propiedad fundamental de la naturaleza, especialmente después de y en la década de 1950 se descubrió solo la violación de la paridad (P). Sin embargo, en 1964 James Cronin y Val Fitch determinaron que kaones neutrinos (K0) en la desintegración viola la simetría CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Este resultado revolucionario mostró que incluso la simetría CP a veces puede violarse en ciertos procesos de interacción débil.

3.3 Violación CP en el Modelo Estándar

En el Modelo Estándar de física de partículas, la violación CP puede originarse a partir de fases En la matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), que describe cómo los quarks de diferentes “sabores” se transforman unos en otros bajo la interacción débil. Más tarde, en la física de neutrinos, surgió otro término de matriz de mezcla – Matriz Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS), que también puede deben existir fases que violen CP. Sin embargo, hasta ahora la magnitud observada de la violación CP en estos en los sectores es demasiado pequeña para explicar la asimetría bariónica del Universo asimetría. Por lo tanto, se cree que existen fuentes adicionales de violación CP más allá del Modelo Estándar.

4. Condiciones de Sacharov para la bariogénesis

En 1967, el físico ruso Andréi Sacharov formuló tres condiciones necesarias para que en el Universo temprano pudiera surgir materia y asimetría de antimateria (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Violación del número bariónico: Debe ocurrir una interacción o procesos que cambian el número bariónico neto B. Si el número bariónico es estrictamente se mantiene, no puede formarse asimetría entre bariones y antibariones.
  2. Violación de K y CP: Procesos que distinguen materia y antimateria, son necesarios. Si K y CP fueran simetrías perfectas, cualquier proceso que genera más bariones que antibariones debería tener un equivalente especular, que se crean tantos antibariones, anulando así cualquier exceso.
  3. Desviación del equilibrio térmico: En el equilibrio térmico los procesos de creación y aniquilación de partículas ocurren en ambas direcciones por igual, por lo que se mantiene el equilibrio. Un entorno termodinámicamente equilibrado, por ejemplo, el universo en rápida expansión y enfriamiento permite que ciertos procesos “capturar” la asimetría.

Cada teoría o mecanismo exitoso de barogénesis debe cumplir con estos tres condiciones para poder explicar el desequilibrio observado entre materia y antimateria.

5. Mecanismos propuestos para la formación de la asimetría materia-antimateria

5.1 Barogénesis electrodébil

La barogénesis electrodébil sostiene que la asimetría bariónica se formó aproximadamente en el momento en que ocurrió la fase de transición débil electrodébil (~10−11 segundos después del Big Bang). Aspectos principales:

  • El campo de Higgs adquiere un valor de vacío no lineal y así rompe espontáneamente la simetría electrodébil.
  • Los procesos no perturbativos, llamados esferones, pueden violar el número total de bariones y leptones (B+L), pero conservar el número de bariones y leptones la diferencia (B−L).
  • La transición de fase, si fuera de primer orden (es decir, caracterizada por la formación de burbujas), crearían la desviación necesaria del equilibrio térmico.
  • los procesos de interacción que violan CP en el sector de Higgs o durante la mezcla de quarks contribuiría al desequilibrio entre materia y antimateria que surge en las burbujas.

Desafortunadamente, en el rango actual de parámetros del Modelo Estándar (especialmente con una masa de 125 GeV para el descubrimiento del bosón de Higgs) es poco probable que la etapa de transición de fase electrodébil fue de primer orden. Además, la violación de CP proporcionada por la matriz CKM es demasiado pequeña. Por eso muchos los teóricos proponen una física que existe más allá del Modelo Estándar – por ejemplo, campos escalares adicionales – para que la barogénesis electrodébil se vuelva más realista.

5.2 Barogénesis DVT (GUT)

Las grandes teorías de unificación (GUT) buscan unificar la interacción fuerte, la interacción débil y electromagnética en condiciones de energía muy alta (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai de Higgs bozonai pueden mediar la desintegración del protón u otros procesos que violan el número bariónico. Si estos procesos ocurren fuera del equilibrio térmico en el entorno del Universo temprano, pueden generar esencialmente una asimetría bariónica. Sin embargo, es necesario que la violación de CP en estos escenarios DVT sea suficientemente grande, pero la desintegración del protón predicha por DVT aún no ha sido observada experimentalmente detectados con las frecuencias esperadas. Esto limita los modelos DVT más simples modelos de bariogénesis.

5.3 Leptogénesis

Leptogénesis comienza con la asimetría entre leptones y antileptones. Esta asimetría leptónica luego, a través de procesos esferónicos, afecta la interacción electrodébil. durante el período se convierte parcialmente en asimetría bariónica, ya que estos procesos pueden leptones para convertirlos en bariones. Uno de los mecanismos populares:

  1. Mecanismo "Seesaw": Se introducen neutrinos pesados de giro derecho neutrinos (u otros leptones pesados).
  2. Estos neutrinos pesados pueden decaer violando la CP, creando un sector leptónico asimetría.
  3. La interacción de los esferones convierte parte de esta asimetría leptónica en asimetría bariónica. asimetría.

La leptogénesis es atractiva porque vincula el origen de las masas de neutrinos (observable en oscilaciones de neutrinos) con un desequilibrio de materia y antimateria cósmica. Además, carece de algunos factores limitantes que dificultan para la bariogénesis electrodébil, por lo que a menudo se menciona como una de las principales componentes de teorías de nueva física.

6. Experimentos en curso y direcciones futuras

6.1 Aceleradores de alta energía

Aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) – especialmente el experimento LHCb – pueden ser sensibles a la violación de CP en desintegraciones de varios mesones (B, D, etc.). Midiendo la magnitud de la violación de CP y comparándolo con las predicciones del Modelo Estándar, los científicos esperan encontrar de discrepancias que podrían indicar nueva física más allá del Modelo Estándar.

  • LHCb: Se especializa en mediciones precisas de desintegraciones raras y violación de CP en estudios del sector del quark b.
  • Belle II (KEK en Japón) y el ya finalizado BaBar (SLAC) también investigó la violación de CP en mesones B en sistemas.

6.2 Experimentos de neutrinos

Experimentos de oscilación de neutrinos de nueva generación, como DUNE (Experimento subterráneo profundo de neutrinos) en EE. UU. y Hyper-Kamiokande en Japón, busca una alta precisión para medir Fase de violación de CP en la matriz PMNS. Si los neutrinos mostraran una violación clara de CP, esto apoyaría aún más la leptogénesis como el desequilibrio entre materia y antimateria solución, la hipótesis.

6.3 Búsqueda de desintegración de protones

Si los escenarios de barogénesis GUT son correctos, la desintegración del protón podría ser una fuente importante de pistas. Experimentos como Super-Kamiokande (y en el futuro Hyper-Kamiokande) establece estrictamente los límites de la vida útil del protón para diferentes canales de desintegración. Cualquier descubrimiento de la desintegración del protón sería muy importante, ya que proporcionaría pistas serias sobre la violación del número bariónico a altas energías.

6.4 Búsqueda de axiones

Aunque los axiones (partículas hipotéticas relacionadas con el problema fuerte de CP la solución) no están directamente relacionados con la barogénesis en el sentido habitual, también podría desempeñar un papel en la historia térmica temprana del Universo y pueden causar posibles disproporciones entre materia y antimateria. Por eso, la búsqueda de axiones sigue siendo una parte importante para resolver el rompecabezas general del Universo.

Conclusión

La dominancia cósmica de materia sobre antimateria sigue siendo uno de los principales preguntas abiertas de la física. El modelo estándar predice cierta violación de CP, sin embargo, insuficiente para explicar la magnitud observada de la asimetría. Esta discrepancia requiere una nueva física – o energías más altas (por ejemplo, a escala DVT), o introduciendo partículas y interacciones adicionales que aún no se ha encontrado.

Aunque elektrosilpnė barigenezė, DVT barigenezė y leptogenezė son posibles mecanismos, se requiere un análisis experimental y teórico adicional. Mediciones de alta precisión experimentos en física de aceleradores, estudios de oscilaciones de neutrinos y desintegraciones raras en investigaciones y observaciones astrofísicas continúan poniendo a prueba estas teorías. La respuesta a la cuestión de por qué la materia ganó sobre la antimateria puede no solo ampliar nuestra comprensión sobre el origen del Universo, sino también revelar aspectos completamente nuevos de nuestra realidad aspectos.

Rekomenduojami šaltiniai ir platesnis skaitymas

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Evidencia de la Decaimiento 2π del K20 Mesón.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Nuoroda]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Violación de la invariancia CP, asimetría C, y la Asimetría Bariónica del Universo.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Datos completas y fuente de revisión sobre las propiedades de las partículas, la violación de CP y la física más allá de los límites del modelo estándar.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Progresos Recientes en Bariogénesis.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “El Origen de la Asimetría Materia-Antimateria.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Libro clásico sobre procesos cosmológicos, incluida la bariogénesis.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Examina en detalle la inflación, la nucleosíntesis y la bariogénesis.

Estos trabajos proporcionan un contexto teórico y experimental más profundo sobre la violación de CP, la violación del número bariónico y las posibles asimetrías materia-antimateria del Universo mecanismos. A medida que aumenta la cantidad de nuevos datos experimentales, nos acercamos a la respuesta į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, ¿o nadie?

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