Medžiaga prieš antimateriją

Materia vastaan antimateriaa

Aine vs. Antiaine: epätasapaino, joka antoi aineen hallita

Yksi nykyaikaisen fysiikan ja kosmologian syvimmistä arvoituksista on, miksi meidän Maailmankaikkeus koostuu lähes kokonaan aineesta, ja antiaine on siinä hyvin vähän. Nykyisen käsityksen mukaan aineen ja antiaineen olisi pitänyt olla muodostui lähes yhtä suurina määrinä heti Suuren räjähdyksen vuoksi niiden olisi pitänyt täysin annihiloitua – mutta näin ei tapahtunut. Pieni aineen ylitarjonta (noin yksi miljardiosa) säilyi ja muodosti galakseja, tähtiä, planeettoja ja lopulta elämää sellaisena kuin sen tunnemme. Tämä ilmeinen aineen ja antiaineen epäsymmetriaa kutsutaan usein barionisen maailmankaikkeuden epäsymmetrian termillä ja läheisesti liittyen ilmiöitä, joita kutsutaan KP:n (engl. CP) rikkomukseksi ja barogeneesiä.

Tässä artikkelissa käsittelemme:

  1. Lyhyt historiallinen näkymä antiaineen löytämiseen.
  2. Aineen ja antiaineen epätasapainon luonne.
  3. KP:n (varaus- ja pariteettisymmetria) symmetria ja sen rikkominen.
  4. Sakharovin ehdot barogeneesille.
  5. Ehdotetut hypoteesit aineen ja antiaineen symmetrian rikkoutumisesta (esim. sähköheikko baryogeneesi, leptogeneesi).
  6. Käynnissä olevat kokeet ja tulevaisuuden suuntaukset.

Artikkelin lopussa sinulla on yleiskäsitys siitä, miksi uskomme, että maailmankaikkeudessa on enemmän ainetta kuin antiainetta, ja opit, miten tiede pyrkii tarkkaa mekanismia, joka aiheuttaa tämän kosmisen epätasapainon.

1. Historiallinen konteksti: antiaineen löytö

Antiaineen käsitteen teoreettisesti ennusti ensimmäisenä englantilainen fyysikko Paul Dirac laati vuonna 1928 yhtälöryhmän (Diracin yhtälö), kuvaava relativistisesti liikkuvia elektroneja. Tämä yhtälö mahdollisti yllättäen ratkaisut, jotka vastaavat hiukkasia, joilla on positiivinen ja negatiivinen energia. ”Negatiivisen energian” ratkaisut tulkittiin myöhemmin hiukkasiksi, joilla on saman massan kuin elektronilla, mutta vastakkaismerkkisen sähkövarauksen.

  1. Positronin (vuonna 1932) löytö: Vuonna 1932 amerikkalainen fyysikko Carl Anderson vahvisti kokeellisesti antiaineen olemassaolon havaitsemalla positronin (elektronin antihiukkanen) kosmisissa säteissä jäljissä.
  2. Antiprotoni ja antineutroni: Antiprotoni löydettiin vuonna 1955 Emilio Segrè ja Owen Chamberlain, ja antineutroni löydettiin vuonna 1956.

Nämä löydöt vahvistivat ajatusta, että jokaiselle Standardimallin hiukkaslajille on olemassa antihiukkanen, jolla on vastakkaiset kvanttiluvut (esim. sähkövaraus, barioniluku), mutta sama massa ja pyöriminen.

2. Aineen ja antimaterian epätasapainon luonne

2.1 Yhtenäinen muodostuminen varhaisessa Universumissa

Suuren alkuräjähdyksen aikaan Universumi oli äärimmäisen kuuma ja tiheä, joten energian taso oli riittävän korkea, jotta aineen ja antimaterian hiukkaset muodostuivat pariksi. Tavallisen käsityksen mukaan keskimäärin jokaista syntynyttä aineen hiukkaselle piti syntyä vastaava antihiukkanen. Universumin laajentuessa ja jähtyessään nämä hiukkaset ja antihiukkaset olivat lähes täysin annihiloituneet, muuttaen massan energiaksi (yleensä gammasäteilyn fotoneiksi).

2.2 Jäljelle jäänyt aine

Havainnot kuitenkin osoittavat, että Universumi koostuu pääasiassa aineesta. Puhtain epäsuhta on pieni, mutta juuri se oli ratkaiseva. Tämä suhde voidaan määritellä määrällisesti tarkastellen barionien (aineen) tiheyden ja fotonien tiheyden Visaton suhde, jota usein merkitään η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn (KMF) – saatu sellaisista tehtävistä kuin COBE, WMAP ja Planck – tiedot näyttää:

η ≈ 6 × 10−10.

Tämä tarkoittaa, että miljardia fotonia kohti, jotka jäivät Suuresta räjähdyksestä, on noin yksi protoni (tai neutroni) – mutta tärkeintä on, että se yksi barioni ylitti vastaavan antibarioninsa. Herää kysymys: Miten tämä pieni mutta olennainen epäsymmetria syntyi?

3. KP-symmetria ja sen rikkomus

3.1 Symmetria fysiikassa

Hiukkasfysiikassa K (varauksen konjugaation) symmetria tarkoittaa hiukkasten ja heidän antihiukkastensa vaihdon. P (pariteetti) symmetria tarkoittaa avaruudellista käänteinen peilaus (avaruuskoordinaattien merkin vaihtaminen). Jos fysikaalinen laki pysyy muuttumattomana sekä K- että P-muunnoksissa (eli "jos kuva pysyy on sama, kun hiukkaset korvataan antihiukkasilla ja vasen ja oikea vaihdetaan paikoittain"), sanomme, että KP-symmetriaa noudatetaan.

3.2 Varhainen KP-rikkomuksen löytö

Aluksi ajateltiin, että KP-symmetria voisi olla luonnon perusominaisuus, erityisesti sen jälkeen kun 1950-luvulla havaittiin vain pariteetin (P) rikkomus. Kuitenkin vuonna 1964 James Cronin ja Val Fitch havaitsivat, että neutriinokaonit (K0) hajoaminen rikkoo CP-symmetriaa (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Tämä vallankumouksellinen tulos osoitti, että jopa CP joskus voi rikkomista esiintyä tietyissä heikon vuorovaikutuksen prosesseissa.

3.3 CP-rikkominen Standardimallissa

Standardimallissa CP-rikkominen voi johtua vaiheista Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) -matriisissa, joka kuvaa, miten erilaisten ”makujen” kvarkit siirtyvät toisikseen heikon vuorovaikutuksen vaikutuksesta. Myöhemmin, neutrinofysiikassa ilmestyi toinen sekoitusmatriisin termi – Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS) -matriisi, joka voi myös on CP-rikkomista sisältäviä vaiheita. Kuitenkin tähän asti havaittu CP-rikkomisen aste näissä sektoreissa on liian pieni selittämään maailmankaikkeuden baryonista epäsymmetriaa. Siksi ajatellaan, että on olemassa lisäisiä CP-rikkomisen lähteitä Standardimallin rajojen ulkopuolella.

4. Sacharovin ehdot baryogeneesille

vuonna 1967 venäläinen fyysikko Andreij Sacharov muotoili kolme välttämättömät ehdot, jotta varhaisessa maailmankaikkeudessa voisi syntyä ainetta ja aineen epäsymmetria (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Barioniluvun rikkominen: Vuorovaikutuksen tai prosessit, jotka muuttavat puhdasta barionilukua B. Jos barioniluku on tiukasti säilyy, barionien ja antibarionien epäsymmetriaa ei voi muodostua.
  2. K ja KP rikkominen: Prosessit, jotka erottavat aineen ja antimateriaa, on välttämätöntä. Jos K ja KP olisivat täydellisiä symmetrioita, mikä tahansa prosessi, joka tuottaa enemmän barioneja kuin antibarioneja, pitäisi olla peilikuva, joka luodaan yhtä monta antibarionia, jolloin kaikki ylimäärä ”peruutetaan”.
  3. Poikkeama termisestä tasapainosta: Termisessä tasapainossa hiukkasten luomisen ja annihilaation prosessit tapahtuvat molempiin suuntiin yhtä paljon, joten tasapaino säilyy. Ei-termodynaamisesti tasapainoinen ympäristö, esimerkiksi nopeasti laajeneva ja jäähtyvä universumi sallii tiettyjen prosessien ”kiinnittää” epäsymmetria.

Jokaisen onnistuneen barogeneesiteorian tai -mekanismin on täytettävä nämä kolme olosuhteet, jotka mahdollistavat havaittavan aineen ja antimaterian epätasapainon selittämisen.

5. Ehdotetut aineen ja antimaterian epäsymmetrian muodostumismekanismit

5.1 Elektrosilpnė barigenezė

Elektrosilpnė barigenezė väittää, että barioninen epäsymmetria muodostui suunnilleen samaan aikaan, kun tapahtui elektrosheikko vaiheensiirtymä (~10−11 sek. po Didžiojo sprogimo). Keskeiset näkökohdat:

  • Higgsin kenttä saa epälineaarisen vakiotilan arvon ja siten spontaanisti rikkoo sähköheikon symmetrian.
  • Ei-perturbatiiviset prosessit, joita kutsutaan sferaloneiksi, voivat rikkoa kokonaisbarionien ja leptonien lukumäärän (B+L), mutta säilyttää barionien ja leptonien ero (B−L).
  • Faasisiirtymä, jos se olisi ensimmäisen asteen (eli kuplien muodostuminen), loisivat tarvittavan poikkeaman termisestä tasapainosta.
  • CP-rikkomista vuorovaikutusprosesseja Higgsin sektorissa tai kvarkkien sekoittumisen aikana osallistuu aineen ja antimaterian epätasapainoon, joka syntyy kuplissa.

Valitettavasti nykyisellä Standardimallin parametrien alueella (erityisesti 125 GeV massan Higgsin bosonin löytöön) on epätodennäköistä, että sähköheikko faasisiirtymävaihe oli ensimmäisen asteen. Lisäksi CKM-matriisin tarjoama CP-rikkomus on liian pieni. Siksi monet teoreetikot ehdottavat Standardimallin ulkopuolista fysiikkaa – esimerkiksi lisäskalaarikenttiä – jotta sähköheikko baryogeneesi voisi tapahtua todennäköisempi.

5.2 GUT:n baryogeneesi

Suuren yhdistämisen teoriat (GUT) pyrkivät yhdistämään vahvan, heikkoa ja sähkömagneettista vuorovaikutusta erittäin korkeissa energioissa (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozoni ja Higgsin bosoni voi välittää protonin hajoamista tai muita baryonilukua rikkovia prosesseja. Jos nämä prosessit tapahtuvat ei-terminaalisessa varhaisessa maailmankaikkeuden ympäristössä ne voivat periaatteessa tuottaa baryonien epäsymmetrian. Kuitenkin on välttämätöntä, että KP-rikkominen näissä DVT-skenaarioissa on riittävän suuri, ja protonin hajoamista, jota DVT ennustaa, kokeellisesti ei ole vielä onnistuttu havaittu odotetuilla taajuuksilla. Tämä rajoittaa yksinkertaisempia DVT-malleja baryogeneesimalleja.

5.3 Leptogeneesi

Leptogeneesi alkaa leptonien ja antileptonien epäsymmetriasta. Tämä leptonien epäsymmetria myöhemmin sferoniprosessien kautta sähköheikon jakson aikana osittain muunnetaan baryoniseksi epäsymmetriaksi, koska nämä prosessit voivat leptoneja konvertoimaan baryoneiksi. Yksi suosituista mekanismeista:

  1. "Seesaw"-mekanismi: Otetaan käyttöön raskaat oikean käden kääntymisen neutriinoja (tai muita raskaita leptoneja).
  2. Nämä raskaat neutriinot voivat hajota KP-rikkomisen kautta, luoden leptonisektorin epäsymmetriaksi.
  3. Sferonien vuorovaikutus muuntaa osan tästä leptonisesta epäsymmetriasta baryoniseksi epäsymmetria.

Leptogeneesi on houkutteleva, koska se yhdistää neutriinon massojen alkuperän (havaittavan neutriino oskillaatioissa) kosmisen aineen ja antimaterian epätasapainon kanssa. Lisäksi sille eivät ole tyypillisiä jotkin rajoittavat tekijät, jotka estävät sähköheikkoon bariogeneesiin, joten sitä mainitaan usein yhtenä keskeisistä uuden fysiikan teorioiden osina.

6. Suoritetut kokeet ja tulevaisuuden suuntaukset

6.1 Suuren energian kiihdyttimet

Sellaiset kiihdyttimet kuin Suuri hadronikiihdytin (LHC) – erityisesti LHCb-koe – voi olla herkkä KP-rikkomukselle erilaisten mesonien (B, D jne.) hajoamisissa. Mittaamalla KP-rikkomuksen määrää ja vertaamalla sitä Standardimallin ennusteisiin, tutkijat toivovat löytävänsä epäjohdonmukaisuuksiin, jotka voisivat viitata uuteen fysiikkaan Standardimallin ulkopuolella.

  • LHCb: Erikoistunut harvinaisten hajoamisten ja KP-rikkomuksen b-kvarkin sektorin tutkimuksissa.
  • Belle II (KEK Japanissa) ja jo päättynyt BaBar (SLAC) on myös tutkinut KP-rikkomusta B-mesonien järjestelmissä.

6.2 Neutriinikokeet

Uuden sukupolven neutriinovärähtelykokeet, kuten DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) Yhdysvalloissa ja Hyper-Kamiokande Japanissa pyrkii mittaamaan erittäin tarkasti KP rikkomisen vaihe PMNS-matriisissa. Jos neutriinot osoittaisivat selvää KP-rikkomusta, vahvistaisi entisestään leptogeneesin roolia aineen ja antiaineen epätasapainon ratkaisua, hypoteesi.

6.3 Protonin hajoamisen etsintä

Jos GUT-baryogeneesin skenaariot ovat oikeita, protonin hajoaminen voisi olla tärkeä vihjeiden lähde. Tällaiset kokeet kuten Super-Kamiokande (ja tulevaisuudessa Hyper-Kamiokande) asettaa tiukat rajat protonin eliniälle eri hajoamiskanaville. Mikä tahansa protonin hajoamisen löytö olisi erittäin tärkeä, koska se antaisi vakavia vihjeitä korkean energian tasolla tapahtuvasta baryoniluvun rikkomisesta.

6.4 Aksionien etsintä

Vaikka aksionit (hypoteettiset hiukkaset, jotka liittyvät vahvan KP-ongelman ratkaisun) ei ole suoraan yhteydessä baryogeneesiin perinteisessä merkityksessä, ne myös voisi näytellä tiettyä roolia varhaisen Universumin lämpötilahistoriassa ja voi aiheuttaa mahdollisia aineen ja antiaineen epäsuhteita. Siksi aksionien etsintä on edelleen tärkeä osa ratkaistaessa koko Universumin palapeliä.

Johtopäätös

Kosmisen aineen ylivalta antiaineeseen nähden on edelleen yksi keskeisistä avoin fysiikan kysymys. Standardimalli ennustaa tietyn KP:n rikkomisen, mutta ei riittävää selittämään havaittua epäsymmetrian määrää. Tämä ristiriita vaatii uutta fysiikkaa – tai korkeampaa energiaa (esim. DVT-tasolla), tai ottamalla käyttöön lisähiukkasia ja vuorovaikutuksia, joita ei vielä ei löydetty.

Vaikka sähkweak-barogeneesi, DVT-barogeneesi ja leptogeneesi ovat mahdollisia mekanismit vaativat lisäkokeellista ja teoreettista analyysiä. Korkean tarkkuuden kokeet kiihdyttimillä, neutriino-oskillaatiotutkimukset ja harvinaiset hajoamiset tutkimukset ja astrofysikaaliset havainnot jatkavat näiden teorioiden testaamista. Vastaus kysymys siitä, miksi aine voitti antimaterian, voi paitsi laajentaa ymmärrystämme ymmärrystä maailmankaikkeuden synnystä, mutta myös paljastaa täysin uusia todellisuutemme näkökulmia.

Suositellut lähteet ja lisälukemista

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). ”Todisteet K:n 2π-hajoaminen20 Mesoni.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Viite]
  2. Sakharov, A. D. (1967). ”CP-invariantin rikkominen, C-asymmetria, ja maailmankaikkeuden barioniasymmetria.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Yksityiskohtainen data ja katsauslähde hiukkasten ominaisuuksista, CP-rikkomuksesta ja fysiikasta Standardimallin ulkopuolella Standardimallin rajojen ulkopuolella.
  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. – Klassinen kirja aiheesta kosmologisia prosesseja, mukaan lukien baryogeneesiä.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Käsittelee perusteellisesti inflaatiota, ydinfuusiota ja baryogeneesille.

Nämä työt tarjoavat syvällisemmän teoreettisen ja kokeellisen kontekstin CP-rikkomukselle, baryonien lukumäärän rikkomista ja mahdollisia universumin aine-antiainetasapainon epäsymmetrioita mekanismeja. Uusien kokeellisten tietojen määrän kasvaessa lähestymme vastausta į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, kuka hän on?

Palaa blogiin