Medžiaga prieš antimateriją

Matériau contre antimatière

Matière vs. Antimatière : un déséquilibre ayant permis à la matière de dominer

L'un des mystères les plus profonds de la physique et de la cosmologie modernes est pourquoi notre L'Univers est composé presque entièrement de matière, avec très peu d'antimatière. Selon la compréhension actuelle, la matière et l'antimatière devaient être formés en quantités presque égales aux tout premiers instants après le Grand explosion, elles auraient dû s'annihiler complètement – mais cela ne s'est pas produit. Un petit excès de matière (environ une partie sur un milliard) est resté et a formé des galaxies, étoiles, planètes et finalement la vie telle que nous la connaissons. Cet évident l'asymétrie matière-antimatière est souvent désignée le terme asymétrie baryonique de l'Univers étroitement lié à phénomènes appelés violation KP (angl. CP) et bariogenèse.

Dans cet article, nous discuterons de :

  1. Bref aperçu historique de la découverte de l'antimatière.
  2. La nature du déséquilibre matière-antimatière.
  3. Symétrie KP (charge et parité) et sa violation.
  4. Conditions de Sakharov pour la bariogenèse.
  5. Hypothèses proposées sur la formation de l'asymétrie matière-antimatière (par ex., la désintégration électrofaible, la leptogénèse).
  6. Expériences en cours et orientations futures.

À la fin de l'article, vous aurez une compréhension globale de pourquoi, selon nous, il y a plus de matière que d'antimatière, et vous découvrirez comment la science tente déterminer le mécanisme exact à l'origine de ce déséquilibre cosmique.

1. Contexte historique : la découverte de l'antimatière

La notion d'antimatière a été théoriquement prédite pour la première fois par le physicien anglais Paul Dirac en 1928 a établi un ensemble d'équations (équation de Dirac), décrivant des électrons en mouvement relativiste. Cette équation a permis de manière inattendue de trouver des solutions correspondant à des particules avec énergie positive et énergie négative. Les solutions à « énergie négative » ont ensuite été interprétées comme des particules possédant ayant la même masse que l'électron, mais une charge électrique de signe opposé.

  1. Découverte du positron (1932) : En 1932, le physicien américain Carl Anderson a confirmé expérimentalement l'antimatière en détectant l'existence du positron (antiparticule de l'électron) dans les rayons cosmiques dans les traces laissées.
  2. Antiproton et antineutron : L'antiproton a été découvert en 1955 Emilio Segrè et Owen Chamberlain, et l'antineutron a été découvert en 1956.

Ces découvertes ont renforcé l'idée que pour chaque type de particule du Modèle standard il existe une antiparticule ayant des nombres quantiques opposés (par ex., la charge électrique, le nombre baryonique), mais la même masse et les mêmes spins.

2. Nature du déséquilibre matière-antimatière

2.1 Formation uniforme dans l'Univers primitif

Lors du Big Bang, l'Univers était extrêmement chaud et dense, donc l'énergie le niveau était suffisamment élevé pour que des particules de matière et d'antimatière se forment paire. Selon la compréhension habituelle, en moyenne, pour chaque matière créée une antiparticule correspondante devait être créée pour chaque particule. En s'étendant, l'Univers en refroidissant, ces particules et antiparticules ont dû s'annihiler presque complètement, transformant la masse en énergie (généralement en photons gamma).

2.2 Matière résiduelle

Cependant, les observations montrent que l'Univers est principalement composé de matière. La pure la disproportion est faible, mais c'est précisément elle qui était déterminante. Ce rapport peut être évaluer quantitativement, en regardant la densité des baryons (matière) et la densité des photons Le rapport total, souvent noté η = (nB - n̄B) / nγ. Fond diffus cosmologique (CMB) – obtenu à partir de missions telles que COBE, WMAP et Planck – données montre :

η ≈ 6 × 10−10.

Cela signifie qu'il y a un photon sur un milliard, restant après le Big Bang, environ un proton (ou neutron) – mais surtout, ce proton unique le baryon a dépassé son antibaryon correspondant. La question se pose : comment cette petite mais essentielle asymétrie est-elle apparue ?

3. La symétrie CP et sa violation

3.1 La symétrie en physique

En physique des particules, la symétrie K (conjugaison de charge) signifie l'échange des particules et l'échange de leurs antiparticules. La symétrie P (parité) signifie une inversion spatiale une réflexion inverse (changer le signe des coordonnées spatiales). Si une loi physique reste inchangé lors des transformations K et P (c'est-à-dire « si l'image reste est la même lorsque les particules sont remplacées par leurs antiparticules, et que la gauche et la droite sont échangées par endroits"), on dit que la symétrie CP est respectée.

3.2 La découverte précoce de la violation CP

On pensait d'abord que la symétrie CP pouvait être une propriété fondamentale de la nature, surtout après et dans les années 1950, seule la violation de parité (P) a été découverte. Cependant, en 1964, James Cronin et Val Fitch ont découvert que kaons neutrinos (K0) en se désintégrant viole la symétrie CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Ce résultat révolutionnaire a montré que même la symétrie CP peut parfois être violée dans certains processus d'interaction faible.

3.3 Violation CP dans le Modèle Standard

Dans le modèle standard de la physique des particules, la violation CP peut provenir de phases dans la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), décrivant comment les quarks de différentes « saveurs » se transforment les uns en les autres sous l'action de l'interaction faible. Plus tard, en physique des neutrinos, un autre terme de matrice de mélange est apparu – matrice Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS), pouvant également doivent avoir des phases violant CP. Cependant, jusqu'à présent, le degré de violation CP observé dans ces dans les secteurs est trop faible pour expliquer la baryonique de l'Univers asymétrie. On pense donc qu'il existe des sources supplémentaires de violation CP au-delà du Modèle Standard.

4. Conditions de Sakharov pour la baryogenèse

En 1967, le physicien russe Andreï Sakharov a formulé trois conditions nécessaires pour que la matière et asymétrie de l'antimatière (Sacharov, 1967 [2]) :

  1. Violation du nombre baryonique : Il doit y avoir une interaction ou processus modifiant le nombre baryonique net B. Si le nombre baryonique est strictement est maintenu, une asymétrie baryon-antibaryon ne peut pas se former.
  2. Violation de K et CP : Les processus distinguant la matière et l'antimatière, sont nécessaires. Si K et CP étaient des symétries parfaites, tout processus créant plus de baryons que d'antibaryons, devrait avoir un homologue miroir qui autant d'antibaryons sont créés, annulant ainsi tout excès.
  3. Déviation de l'équilibre thermique : À l'équilibre thermique les processus de création et d'annihilation des particules se produisent également dans les deux sens, donc l'équilibre est maintenu. Un environnement thermiquement équilibré, par exemple, l'Univers en expansion rapide et refroidissement permet à certains processus « capturer » l'asymétrie.

Chaque théorie ou mécanisme réussi de bariogenèse doit satisfaire ces trois conditions nécessaires pour expliquer le déséquilibre observé entre matière et antimatière.

5. Mécanismes proposés pour la formation de l'asymétrie matière-antimatière

5.1 Bariogenèse électrofaible

La bariogenèse électrofaible affirme que l'asymétrie baryonique s'est formé à peu près au moment où se déroulait la phase de transition électrofaible (~10−11 sec. après le Big Bang). Aspects principaux :

  • Le champ de Higgs acquiert une valeur de vide non nulle et ainsi brise spontanément la symétrie électrofaible.
  • Les processus non perturbatifs, appelés sphalerons, peuvent violer le nombre total de baryons et leptons (B+L), mais préserver le nombre de baryons et leptons la différence (B−L).
  • La transition de phase, si elle était de premier ordre (c'est-à-dire caractérisée par la formation de bulles), créeraient la déviation nécessaire par rapport à l'équilibre thermique.
  • les processus d'interaction violant CP dans le secteur de Higgs ou lors du mélange des quarks contribuerait au déséquilibre matière-antimatière apparaissant dans les bulles.

Malheureusement, dans la plage actuelle des paramètres du Modèle Standard (en particulier pour une masse de 125 GeV à la découverte du boson de Higgs) il est peu probable que la phase de transition électrofaible étaient de premier ordre. De plus, la violation CP fournie par la matrice CKM est trop faible. Par conséquent, beaucoup les théoriciens proposent une physique au-delà du Modèle Standard – par exemple, des champs scalaires supplémentaires – pour que la barogenèse électrofaible devienne plus réaliste.

5.2 Barogenèse DVT (GUT)

Les grandes théories d'unification (GUT) visent à unifier l'interaction forte, l'interaction faible et électromagnétique dans des conditions d'énergie très élevée (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai de Higgs bozonai peuvent médiatiser la désintégration du proton ou d'autres processus violant le nombre baryonique. Si ces processus ont lieu hors équilibre thermique, dans l'environnement de l'Univers primordial, ils peuvent essentiellement générer une asymétrie baryonique. Cependant, il est nécessaire que la violation de CP dans ces scénarios DVT soit suffisamment grande, et la désintégration du proton, prédite par les DVT, n'ont pas encore été observées expérimentalement détectés aux fréquences attendues. Cela limite les modèles DVT plus simples modèles de baryogenèse.

5.3 Leptogenèse

La leptogenèse commence par une asymétrie entre leptons et antileptons. Cette asymétrie leptoniques est ensuite convertie en asymétrie baryonique via les processus sphalérons de l'interaction électrofaible. pendant la période, partiellement convertie en asymétrie baryonique, car ces processus peuvent pour convertir les leptons en baryons. Un mécanisme populaire :

  1. Le mécanisme « Seesaw » : Des neutrinos lourds à chiralité droite sont introduits neutrinos (ou d'autres leptons lourds).
  2. Ces neutrinos lourds peuvent se désintégrer via la violation de CP, créant un secteur leptonique asymétrie.
  3. Une partie des interactions des sphalérons transforme cette asymétrie leptoniques en asymétrie baryonique asymétrie.

La leptogenèse est attrayante car elle relie l'origine des masses des neutrinos (observable dans les oscillations de neutrinos) avec un déséquilibre entre matière et antimatière cosmique. De plus, elle ne présente pas certains facteurs limitants qui entravent à la barogenèse électrofaible, c'est pourquoi elle est souvent mentionnée comme l'une des principales des composantes des théories de nouvelle physique.

6. Expériences en cours et orientations futures

6.1 Accélérateurs à haute énergie

Des accélérateurs tels que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) – en particulier l'expérience LHCb – peut être sensible à la violation CP dans les désintégrations de divers mésons (B, D, etc.). En mesurant l'ampleur de la violation CP et en le comparant aux prédictions du Modèle Standard, les scientifiques espèrent trouver des anomalies qui pourraient indiquer une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard.

  • LHCb : Spécialisé dans les mesures précises des désintégrations rares et des violations CP dans les études du secteur des quarks b.
  • Belle II (KEK au Japon) et l'expérience déjà terminée BaBar (SLAC) a également étudié la violation CP dans les mésons B dans les systèmes.

6.2 Expériences sur les neutrinos

Des expériences de nouvelle génération sur les oscillations de neutrinos, telles que DUNE (Expérience souterraine profonde sur les neutrinos) aux États-Unis et Hyper-Kamiokande au Japon, vise une grande précision pour mesurer Phase de violation CP dans la matrice PMNS. Si les neutrinos montraient une violation CP marquée, cela soutiendrait encore davantage la leptogenèse comme cause du déséquilibre matière-antimatière solution, hypothèse.

6.3 Recherche de désintégration du proton

Si les scénarios de baryogenèse GUT sont corrects, la désintégration du proton pourrait être source importante d'indices. Des expériences telles que Super-Kamiokande (et à l'avenir Hyper-Kamiokande) fixe strictement les limites de la durée de vie du proton pour différents canaux de désintégration. Toute découverte de désintégration du proton serait extrêmement importante car elle fournirait des indices sérieux sur la violation du nombre baryonique à haute énergie.

6.4 Recherche d'axions

Bien que les axions (particules hypothétiques liées au problème fort de la KP la solution) ne sont pas directement liées à la baryogenèse au sens habituel, elles pourrait jouer un certain rôle dans l'histoire thermique précoce de l'Univers et pouvoir entraîner d'éventuelles disproportions entre matière et antimatière. Par conséquent, la recherche d'axions reste une partie importante pour résoudre le puzzle global de l'Univers.

Conclusion

La domination cosmique de la matière sur l'antimatière reste l'un des principaux questions ouvertes en physique. Le modèle standard prévoit une certaine violation de la KP, cependant insuffisant pour expliquer l'ampleur de l'asymétrie observée. Ce désaccord nécessité d'une nouvelle physique – ou d'une énergie plus élevée (par exemple, à l'échelle DVT), ou en introduisant des particules et interactions supplémentaires, encore n'a pas été découverte.

Bien que barigénèse électrofaible, DVT barigénèse et leptogénèse sont des mécanismes possibles mécanismes, une analyse expérimentale et théorique plus poussée est nécessaire. Des mesures de haute précision expériences en physique des accélérateurs, études des oscillations de neutrinos et désintégrations rares les recherches et les observations astrophysiques continuent de tester ces théories. La réponse à la question de savoir pourquoi la matière a gagné contre l'antimatière peut non seulement élargir notre compréhension de l'origine de l'Univers, mais aussi révéler de tout nouveaux aspects de notre réalité aspects.

Sources recommandées et lectures complémentaires

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Preuve de la Désintégration 2π du K20 Méson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Lien]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Violation de l'invariance CP, asymétrie C, et l'asymétrie baryonique de l'Univers.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Données complètes et source de revue sur les propriétés des particules, la violation de CP et la physique au-delà de Les limites du modèle standard.
  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. – Un livre classique sur les processus cosmologiques, y compris la baryogenèse.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Analyse en profondeur de l'inflation, de la synthèse nucléaire et la baryogenèse.

Ces travaux fournissent un contexte théorique et expérimental plus profond sur la violation de CP, la violation du nombre de baryons et les possibles asymétries matière-antimatière de l'Univers des mécanismes. Avec l'augmentation de la quantité de nouvelles données expérimentales, nous nous rapprochons de la réponse į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, ou personne ?

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