Medžiaga prieš antimateriją

Materjal antimaterjali vastu

Aine vs. Vastaine: tasakaalutus, mis võimaldas ainel domineerida

Üks kaasaegse füüsika ja kosmoloogia sügavamaid mõistatusi on, miks meie Universum koosneb peaaegu täielikult ainest, vastainet on seal väga vähe. Praeguse arusaama kohaselt pidi aine ja vastaine olema moodustunud peaaegu võrdsetes kogustes vahetult pärast Suurt plahvatuse tõttu pidid need täielikult anihileeruma – kuid seda ei juhtunud. Väike aine ülejääk (umbes üks miljardist) jäi alles ja moodustas galaktikaid, tähti, planeete ja lõpuks elu, nagu me seda tunneme. See ilmne aine ja vastaine asümmeetria nimetatakse sageli barioonilise universumi asümmeetria terminiga ning tihedalt seotud ilminguid, mida nimetatakse KP (ingl. CP) rikkumiseks ja barogeneesi.

Selles artiklis käsitleme:

  1. Lühike ajalooline ülevaade vastaine avastamisest.
  2. Aine ja vastaine tasakaalutuse olemus.
  3. KP (laengu ja pariteedi) sümmeetria ja selle rikkumine.
  4. Sacharovi tingimused barogeneesiks.
  5. Pakutud hüpotees aine ja vastaine asümmeetria tekkeks (nt elektrnõrk barogenees, leptogenees).
  6. Tehtavad katsed ja tuleviku suunad.

Artikli lõpus on teil üldine arusaam, miks meie arvates Universumis on rohkem ainet kui antimaterjali ning saate teada, kuidas teadus püüab täpse mehhanismi kindlakstegemiseks, mis põhjustab seda kosmilist tasakaalutust.

1. Ajalooline kontekst: antimaterjali avastamine

Antimaterjali kontseptsiooni ennustas esmakordselt teoreetiliselt inglise füüsik Paul Dirac koostas 1928. aastal võrrandite komplekti (Diraci võrrand), kirjeldades relatiivselt liikuvaid elektrone. See võrrand võimaldas ootamatult leida lahendused, mis vastavad osakestele positiivse ja negatiivse energiaga. "Negatiivse energia" lahendusi tõlgendati hiljem osakestena, millel on sama massiga kui elektron, kuid vastassuunalise elektrilaenguga.

  1. Positroni (1932) avastamine: 1932. aastal ameerika füüsik Carl Anderson kinnitas eksperimentaalselt antimaterjali olemist avastades positroni (elektroni antiosake) kosmosekiirguses jälgedes.
  2. Antiprooton ja antineutron: Antiprootoni avastas 1955. aastal Emilio Segre ja Owen Chamberlain ning antineutron avastati 1956. aastal.

Need avastused tugevdasid mõtet, et igale Standardmudeli osakese tüübile eksisteerib antiosake, millel on vastupidised kvantarvud (nt elektrilaeng, barioonide arv), kuid sama massi ja pöörlemist.

2. Aine ja vastaine tasakaalustamatuse olemus

2.1 Ühtlane teke varases Universumis

Suurpaugul oli Universum erakordselt kuum ja tihe, seega energia tase oli piisavalt kõrge, et tekiks aine ja vastaine osakesed paar. Tavapärase arusaama kohaselt tekkis keskmiselt iga tekkinud aine osakese kohta pidi tekkima ka vastav vastuosake. Universumi laienedes ja jahenedes pidid need osakesed ja vastuosakesed peaaegu täielikult anihileeruma, muutes massi energiaks (enamasti gammakiirguse footoniteks).

2.2 Ülejäänud aine

Kuid vaatlustest nähtub, et Universum koosneb peamiselt ainest. Puhtalt ebaproportsionaalsus on väike, kuid just see oli määrav. Seda suhet saab kiekybiškai įvertinti, žvelgiant į barionų (aine) tiheduse ja footonite tiheduse Visatoje santykis, dažnai žymimas η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmose mikrolaine taustkiirguse (KMF) – saadud sellistest missioonidest nagu COBE, WMAP ja Planck – andmed näitab:

η ≈ 6 × 10−10.

See tähendab, et iga miljardi fotoni kohta, mis jäid pärast Suurt Pauku, on umbes üks prooton (või neutron) – kuid kõige tähtsam on see, et see üks barioon ületas oma vastava antibariooni. Küsimus on: kuidas tekkis see väike, kuid oluline asümmeetria?

3. KP sümmeetria ja selle rikkumine

3.1 Sümmeetria füüsikas

Osakeste füüsikas tähendab K (laengu konjugatsiooni) sümmeetria osakeste ja nende vastiosakeste vahetust. P (pariteedi) sümmeetria tähendab ruumilist inversiooniline peegeldus (ruumikoordinaatide märgi muutmine). Kui füüsikaline seadus jääb muutumatuks nii K kui ka P transformatsioonide korral (st „kui pilt jääb on sama, kui osakesed asendatakse vastiosakestega ja vasak ja parem on vahetatud kohati"), ütleme, et hoitakse KP sümmeetriat.

3.2 Varajane KP rikkumise avastamine

Alguses arvati, et KP sümmeetria võib olla looduse fundamentaalne omadus, eriti pärast kuni 1950. aastatel avastati ainult pariteedi (P) rikkumine. Kuid 1964. aastal James Cronin ja Val Fitch leidsid, et neutriinkaonid (K0) lagunemisel rikub CP sümmeetriat (Cronin & Fitch, 1964 [1]). See revolutsiooniline tulemus näitas, et isegi CP mõnikord võib olla rikutud teatud nõrkade vastasmõjude protsessides.

3.3 CP rikkumine Standardmudelis

Standardmudelis võib CP rikkumine tuleneda faasidest Cabibo-Kobajaši-Maskava (CKM) maatriksis, mis kirjeldab, kuidas erinevad „maitsed“ kvargid lähevad üksteiseks üle nõrga vastasmõju toimel. Hiljem, neutriinofüüsikas tekkis teine segunemismaatriksi termin – Pontekorvo–Maki–Nakagava–Sakata (PMNS) maatriksis, mis võib samuti peab olema CP rikkumist sisaldavaid faase. Kuid seni täheldatud CP rikkumise ulatus nendes sektorites on liiga väike, et seletada Universumi barioonilist asümmeetriat. Seetõttu arvatakse, et eksisteerivad täiendavad CP rikkumise allikad Standardmudeli piiridest väljaspool.

4. Sahharovi tingimused barioneesi jaoks

1967. aastal sõnastas vene füüsik Andrei Sahharov kolm vajalikud tingimused, et varases Universumis võiks tekkida aine ja antiaine asümmeetria (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Barioonarvu rikkumine: Peab toimuma vastasmõju või protsessid, mis muudavad puhtaid barioonarve B. Kui barioonarv on rangelt säilib, barioonide ja antibarioonide asümmeetriat ei saa tekkida.
  2. K ja KP rikkumine: Protsessid, mis eristavad ainet ja antiainet, on vajalikud. Kui K ja KP oleksid täiuslikud sümmeetriad, siis iga protsess, rohkem barioone kui antibarioone tekitav protsess peaks omama peegelpildi, mis loodud sama palju antibarioone, seega „tühistades“ igasuguse ülejäägi.
  3. Hälve termilisest tasakaalust: Termilises tasakaalus osakeste loomise ja anihilatsiooni protsessid toimuvad mõlemas suunas võrdselt, seega säilib tasakaal. Mittetermiline tasakaalustatud keskkond, näiteks kiirelt laienev ja jahtuv Universum võimaldab teatud protsessidel „fikseeritud“ asümmeetriale.

Iga edukas barogeneesi teooria või mehhanism peab vastama neile kolmele tingimused, et seletada täheldatud aine ja antiainete tasakaalutust.

5. Pakutud aine ja antiainete asümmeetria tekkemehhanismid

5.1 Elektrnõrk barogenees

Elektrnõrk barogenees väidab, et bariooniline asümmeetria kujunes umbes samal ajal, kui toimus elektrnõrga faasi ülemineku staadium (~10−11 sek. po Didžiojo paugimo). Peamised aspektid:

  • Higsi väli omandab mittelineaarse vaakumväärtuse ja nii spontaanselt rikub elektroonilis-nõrka sümmeetriat.
  • Mitteperturbatiivsed protsessid, mida nimetatakse sferalonideks, võivad rikkuda koguarv barjone ja leptone (B+L), kuid säilitada barjonide ja leptonite erinevust (B−L).
  • Faasüleminek, kui see oleks I järku (st mullide moodustumine), loovad vajaliku kõrvalekalde termilisest tasakaalust.
  • KP rikkuvad vastasmõju protsessid Higsi sektoris või kvarkide segunemise ajal aitaks kaasa aine ja antiainete tasakaalustamatusele, mis tekib mullides.

Kahjuks olemasolevas Standardmudeli parameetrite vahemikus (eriti 125 GeV massiga Higsi bosoni avastamiseks) on ebatõenäoline, et elektroonilis-nõrk faasüleminek oli I järku. Lisaks on CKM maatriksi pakutav KP rikkumine liiga väike. Seetõttu paljud teoreetikud pakuvad Standardmudeli piiridest väljaspool eksisteerivat füüsikat – näiteks täiendavad skalaarsed väljad – et elektroonilis-nõrk barogenees muutuks reaalsem.

5.2 DVT (GUT) barogenees

Suure ühinemisteooria (GUT) eesmärk on ühendada tugev nõrka ja elektromagnetilist vastasmõju väga kõrgetel energiatasemetel (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonid ja Higsi bozonid võivad vahendada prootoni lagunemist või muid barioonide arvu rikkuvad protsessid. Kui need protsessid toimuvad mitte-terminaalses keskkonnas varases Universumis võivad nad põhimõtteliselt genereerida barioonide asümmeetriat. Kuid on vajalik, et KP rikkumine nendes DVT stsenaariumites oleks piisavalt suur, ja prootoni lagunemist, mida DVT ennustab, pole katsetega seni õnnestunud leida sellistel sagedustel, nagu oodati. See piirab lihtsamaid DVT barioogeneesi mudeleid.

5.3 Leptogenees

Leptogenees algab leptonite ja antileptonite asümmeetriast. See leptonite asümmeetria hiljem sferaloonide protsesside kaudu elektrinõrga perioodi jooksul osaliselt muudetakse bariooniliseks asümmeetriaks, kuna need protsessid võivad leptone barioonideks konverteerima. Üks populaarne mehhanism on:

  1. „Seesaw“ mehhanism: Sisse tuuakse rasked parempoolse pöörlemisega neutriinod (või teised rasked leptonid).
  2. Need rasked neutriinod võivad laguneda KP rikkumise kaudu, luues leptonite sektori asümmeetriaks.
  3. Sferaloonide vastasmõju osa teisendab selle leptonilise asümmeetria bariooniliseks asümmeetria.

Leptogenees on atraktiivne selle poolest, et seob neutriino masside päritolu (täheldatav neutriino osaktsioonides) koos kosmilise aine ja antiaine tasakaalutusega. Lisaks ei ole sellel mõningaid piiravaid tegureid, mis takistavad elektroonilis-õrnal barogeneesis, mistõttu seda sageli mainitakse kui üht peamist uue füüsika teooriate koostisosad.

6. Läbiviidavad eksperimendid ja tuleviku suunad

6.1 Kõrge energia kiirendid

Sellised kiirendid nagu Suure hadronkiirendi (LHC) – eriti LHCb eksperiment – võivad olla tundlikud KP rikkumisele erinevate mezonite (B, D jt) lagunemistes. Mõõtes KP rikkumise ulatust ja võrreldes seda Standardmudeli prognoosidega, loodavad teadlased leida ebakõladele, mis võiksid viidata uuele füüsikale väljaspool Standardmudelit.

  • LHCb: Spetsialiseerunud täpsetele haruldaste lagunemiste ja KP rikkumise b-kvargi sektoris tehtud uuringutes.
  • Belle II (KEK Jaapanis) ja juba lõpetatud BaBar (SLAC) uuris samuti KP rikkumist B-meesonite süsteemides.

6.2 Neutriino eksperimendid

Uue põlvkonna neutriino osakeste osilatsioonide eksperimendid, nagu DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) USAs ja Hyper-Kamiokande Jaapanis, püüab saavutada suurt täpsust mõõtmistes KP rikkumise faas PMNS-matriisis. Kui neutriinod näitaksid selget KP rikkumist, toetaks veelgi leptogeneesi kui aine ja antiaine tasakaalustamatuse lahenduse hüpotees.

6.3 Prootonide lagunemise otsing

Kui GUT barioneesi stsenaariumid on õiged, võiks prootoni lagunemine olla oluline vihjeallikas. Sellised katsed nagu Super-Kamiokande (ja tulevikus Hyper-Kamiokande) rangelt määrab prootoni eksisteerimise kestuse piirid erinevatele lagunemiskanaleile. Igasugune prootoni lagunemise avastus oleks äärmiselt oluline, kuna see annaks tõsiseid vihjeid barioonide arvu rikkumise kohta kõrge energia tasemel.

6.4 Aksioonide otsing

Kuigi aksioonid (hüpoteetilised osakesed, mis on seotud tugeva KP probleemiga lahendusega) ei ole otseselt seotud barioneesiga tavapärases mõttes, nad ka võiksid mängida teatud rolli universumi varajases termilises ajaloos ja võib põhjustada võimalikke aine ja antiaine ebaproportsioone. Seetõttu aksioonide otsingud jääb oluliseks osaks universumi üldise pusle lahendamisel.

Järeldus

Kosmiline aine domineerimine antiaine ees jääb üheks peamiseks avatud füüsika küsimused. Standardmudel ennustab teatud KP rikkumist, kuid ebapiisav, et selgitada täheldatud asümmeetria ulatust. See vastuolu vajadus uuele füüsikale – või kõrgema energia (nt DVT tasemel), või täiendavate osakeste ja vastasmõjude lisamisega, mida veel ei ole leitud.

Kuigi elektroonilis-nõrk barogenees, DVT barogenees ja leptogenees on võimalikud mehhanismid, on vajalik täiendav eksperimentaalne ja teoreetiline analüüs. Kõrge täpsusega kiirendajate füüsika eksperimentides, neutrino osakeste osakeste uurimises ja haruldaste lagunemiste uuringutes ja astrofüüsikalised vaatlused jätkavad nende teooriate kontrollimist. Vastus küsimus, miks aine võitis antiaine, võib mitte ainult laiendada meie arusaamist Universumi tekkest, aga ka täiesti uute meie reaalsuse aspektid.

Soovitatavad allikad ja täiendav lugemine

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Tõendid 2π lagunemine K20 Meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Viide]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “CP invariantsi rikkumine, C asümmeetria, ja Universumi baryoonasümmeetria.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Üksikasjalik andmete ja ülevaateallikas osakeste omaduste, KP rikkumise ja standardmudelist kaugema füüsika kohta Standardmudeli piiridest.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Viimased edusammud Barogenees.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “The Origin of the Aine-antiaine asümmeetria.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Klassikaline raamat kosmoloogilisi protsesse, sealhulgas barogeneesi.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Üksikasjalikult käsitleb inflatsiooni, tuumade sünteesi ja barogeneesi.

Need tööd annavad sügavama teoreetilise ja eksperimentaalse konteksti KP rikkumise kohta, baarioonide arvu rikkumist ja võimalikke universumi aine-antiaine asümmeetriaid mehhanismid. Uute eksperimentaalsete andmete hulga suurenedes läheneme vastusele į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, kes see on?

Naaske ajaveebi