Medžiaga prieš antimateriją

Materiale contro antimateria

Materia vs. Antimateria: lo squilibrio che ha permesso alla materia di dominare

Uno dei misteri più profondi della fisica e cosmologia moderna è perché il nostro L'Universo è composto quasi interamente da materia, con pochissima antimateria. Secondo la comprensione attuale, materia e antimateria dovevano essere formatesi in quantità quasi uguali nei primissimi istanti dopo il Grande esplosione, quindi avrebbero dovuto annichilirsi completamente – ma ciò non è accaduto. Un piccolo un eccesso di materia (circa una parte su un miliardo) è rimasto e ha formato galassie, stelle, pianeti e infine la vita come la conosciamo. Questo evidente l'asimmetria tra materia e antimateria è spesso definita il termine asimmetria barionica dell'Universo strettamente legato a fenomeni chiamati violazione KP (inglese CP) e barionogenesi.

In questo articolo discuteremo:

  1. Breve prospettiva storica sulla scoperta dell'antimateria.
  2. La natura dello squilibrio tra materia e antimateria.
  3. Simmetria KP (carica e parità) e la sua violazione.
  4. Condizioni di Sakharov per la barionogenesi.
  5. Ipotesi proposte sulla formazione dell'asimmetria tra materia e antimateria (ad es., barionogenesi elettrodebole, leptogenesi).
  6. Esperimenti in corso e direzioni future.

Alla fine dell'articolo avrete una comprensione generale del motivo per cui, secondo noi, nell'Universo c'è più materia che antimateria, e scoprirete come la scienza cerca di determinare il meccanismo preciso che causa questo squilibrio cosmico.

1. Contesto storico: la scoperta dell'antimateria

La concezione dell'antimateria fu prevista teoricamente per la prima volta dal fisico inglese Paul Dirac nel 1928 formulò un insieme di equazioni (equazione di Dirac), che descrive elettroni in movimento relativistico. Questa equazione ha inaspettatamente permesso di trovare soluzioni corrispondenti a particelle con energia positiva e energia negativa. Le soluzioni di "energia negativa" sono state successivamente interpretate come particelle con la stessa massa dell'elettrone, ma con carica elettrica di segno opposto.

  1. Scoperta del positrone (1932): nel 1932 il fisico americano Carl Anderson ha confermato sperimentalmente l'antimateria l'esistenza rilevando il positrone (l'antiparticella dell'elettrone) nei raggi cosmici tracce lasciate.
  2. Antiprotone e antineutrone: l'antiprotone è stato scoperto nel 1955 da Emilio Segrè e Owen Chamberlain, mentre l'antineutrone è stato scoperto nel 1956.

Queste scoperte hanno rafforzato l'idea che per ogni tipo di particella del Modello Standard esiste una antiparticella con numeri quantici opposti (ad es., carica elettrica, numero barionico), ma la stessa massa e spin.

2. Natura dello squilibrio tra materia e antimateria

2.1 Formazione uniforme nell'Universo primordiale

Durante il Big Bang l'Universo era estremamente caldo e denso, quindi l'energia il livello era sufficientemente alto da formare particelle di materia e antimateria coppie. Secondo la comprensione comune, in media per ogni particella di materia creata per ogni particella doveva essere creata una corrispondente antiparticella. Con l'espansione dell'Universo e raffreddandosi, queste particelle e antiparticelle dovevano annichilirsi quasi completamente, trasformando la massa in energia (di solito in fotoni gamma).

2.2 Materia residua

Tuttavia, le osservazioni mostrano che l'Universo è composto principalmente da materia. La netta la sproporzione è piccola, ma è stata proprio quella decisiva. Questo rapporto può essere valutare quantitativamente, guardando alla densità di barioni (materia) e alla densità di fotoni Il rapporto considerato, spesso indicato come η = (nB - n̄B) / nγ. Fondo cosmico a microonde (CMB) – ottenuto da missioni come COBE, WMAP e Planck – dati mostra:

η ≈ 6 × 10−10.

Ciò significa che per ogni miliardo di fotoni rimasti dal Big Bang, c'è circa un protone (o neutrone) – ma la cosa più importante è che quel singolo il barione superava il suo corrispondente antibarione. Si pone la domanda: come è nata questa piccola ma fondamentale asimmetria?

3. Simmetria CP e la sua violazione

3.1 Simmetria in fisica

Nella fisica delle particelle la simmetria K (coniugazione di carica) significa lo scambio tra particelle e lo scambio delle loro antiparticelle. La simmetria P (parità) significa una riflessione spaziale riflessione inversa (cambiando il segno delle coordinate spaziali). Se una legge fisica rimane invariata anche sotto le trasformazioni K e P (cioè "se l'immagine rimane è la stessa quando le particelle sono sostituite dalle antiparticelle e sinistra e destra sono scambiate in alcuni punti"), diciamo che si mantiene la simmetria CP.

3.2 La scoperta precoce della violazione CP

Inizialmente si pensava che la simmetria CP potesse essere una proprietà fondamentale della natura, specialmente dopo e negli anni '50 fu scoperta solo la violazione della parità (P). Tuttavia, nel 1964 James Cronin e Val Fitch scoprirono che kaoni neutrini (K0) decadendo viola la simmetria CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Questo risultato rivoluzionario dimostrò che anche la simmetria CP a volte può essere violata in certi processi di interazione debole.

3.3 Violazione CP nel Modello Standard

Nel Modello Standard della fisica delle particelle la violazione CP può derivare da fasi nella matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), che descrive come i quark di diversi “sapori” si trasformano l’uno nell’altro sotto l’azione dell’interazione debole. Successivamente, nella fisica dei neutrini, è emerso un altro termine della matrice di mescolamento – matrice Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS), che può anche devono esserci fasi che violano CP. Tuttavia, finora la misura della violazione CP osservata in questi nei settori è troppo bassa per spiegare la barionica dell'Universo asimmetria. Perciò si ritiene che esistano fonti aggiuntive di violazione CP oltre i confini del Modello Standard.

4. Condizioni di Sacharov per la barionogenesi

Nel 1967 il fisico russo Andrejus Sacharovas formulò tre condizioni necessarie affinché nella primordiale Universo possano emergere materia e asimmetria della antimateria (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Violazione del numero barionico: Deve avvenire un'interazione o processi che cambiano il numero barionico netto B. Se il numero barionico è rigorosamente è mantenuto, non può formarsi asimmetria tra barioni e antibarioni.
  2. Violazione di K e CP: Processi che distinguono materia e antimateria, sono necessari. Se K e CP fossero simmetrie perfette, qualsiasi processo che crea più barioni che antibarioni dovrebbe avere un corrispondente speculare che vengono creati tanti antibarioni, annullando così qualsiasi eccesso.
  3. Deviazione dall'equilibrio termico: In equilibrio termico i processi di creazione e annichilazione delle particelle avvengono in entrambe le direzioni in modo uguale, quindi l'equilibrio è mantenuto. Un ambiente termicamente bilanciato, ad esempio, l'Universo in rapida espansione e raffreddamento consente a certi processi "catturare" l'asimmetria.

Ogni teoria o meccanismo di barogenesi di successo deve soddisfare questi tre condizioni per spiegare lo squilibrio osservato tra materia e antimateria.

5. Meccanismi proposti per la formazione dell'asimmetria materia-antimateria

5.1 Barogenesi elettrodebole

Barogenesi elettrodebole sostiene che l'asimmetria barionica si è formato approssimativamente nello stesso periodo della fase di transizione elettrodebole (~10−11 sec. dopo il Big Bang). Aspetti principali:

  • Il campo di Higgs acquisisce un valore di vuoto non lineare e così rompe spontaneamente la simmetria elettrodebole.
  • Processi non perturbativi, chiamati sferraloni, possono violare il numero totale di barioni e leptoni (B+L), ma preservare il numero di barioni e leptoni differenza (B−L).
  • La transizione di fase, se fosse di primo ordine (cioè caratterizzata dalla formazione di bolle), creerebbero la deviazione necessaria dall'equilibrio termico.
  • processi di interazione che violano CP nel settore di Higgs o durante il mescolamento dei quark contribuirebbe allo squilibrio tra materia e antimateria che si genera nelle bolle.

Purtroppo, nell'attuale intervallo dei parametri del Modello Standard (specialmente con una massa di 125 GeV alla scoperta del bosone di Higgs) è poco probabile che la fase di transizione elettrodebole erano di primo ordine. Inoltre, la violazione CP fornita dalla matrice CKM è troppo piccola. Perciò molti i teorici propongono una fisica oltre il Modello Standard – ad esempio, campi scalari aggiuntivi – affinché la barionogenesi elettrodebole diventi più realistica.

5.2 Barionogenesi GUT (DVT)

Le Teorie di Grande Unificazione (GUT) mirano a unificare l'interazione forte, l'interazione debole e quella elettromagnetica in condizioni di energia molto elevata (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai ar Higso bozonai possono mediare il decadimento del protone o altri processi che violano il numero barionico. Se questi processi avvengono fuori equilibrio termico nell'ambiente dell'Universo primordiale, essi possono fondamentalmente generare l'asimmetria barionica. Tuttavia è necessario che la violazione CP in questi scenari GUT sia sufficientemente grande, ma finora non è stato possibile osservare sperimentalmente il decadimento del protone previsto dalle GUT rilevati a frequenze previste. Questo limita i modelli più semplici di GUT modelli di barionogenesi.

5.3 Leptogenesi

La leptogenesi inizia dall'asimmetria tra leptoni e antileptoni. Questa asimmetria leptonica successivamente, attraverso processi sferonici, nell'interazione elettrodebole durante il periodo viene parzialmente convertita in asimmetria barionica, poiché questi processi possono per convertire i leptoni in barioni. Uno dei meccanismi più popolari:

  1. Meccanismo "Seesaw": vengono introdotti pesanti neutrini di destra neutrini (o altri leptoni pesanti).
  2. Questi neutrini pesanti possono decadere violando la CP, creando un settore leptonico asimmetria.
  3. La parte di interazione degli sferoni trasforma questa asimmetria leptonica in asimmetria barionica. asimmetria.

La leptogenesi è interessante perché collega l'origine delle masse dei neutrini (osservabile nelle oscillazioni dei neutrini) con lo squilibrio tra materia e antimateria cosmica. Inoltre, non presenta alcuni fattori limitanti che ostacolano per la barionogenesi elettrodebole, motivo per cui è spesso citata come una delle principali componenti di teorie di nuova fisica.

6. Esperimenti in corso e direzioni future

6.1 Acceleratori ad alta energia

Acceleratori come il Grande Collisore di Adroni (LHC) – in particolare l'esperimento LHCb – possono essere sensibili alla violazione CP in decadimenti di vari mesoni (B, D, ecc.). Misurando l'entità della violazione CP e confrontandolo con le previsioni del Modello Standard, gli scienziati sperano di trovare di discrepanze che potrebbero indicare nuova fisica oltre il Modello Standard.

  • LHCb: Specializzato in misure precise di decadimenti rari e violazioni CP negli studi sul settore del quark b.
  • Belle II (KEK in Giappone) e il già concluso BaBar (SLAC) ha anche studiato la violazione CP nei mesoni B nei sistemi.

6.2 Esperimenti sui neutrini

Esperimenti di nuova generazione sulle oscillazioni dei neutrini, come DUNE (Esperimento sotterraneo profondo sui neutrini) negli USA e Hyper-Kamiokande in Giappone, mira a misurare con grande precisione Fase di violazione CP nella matrice PMNS. Se i neutrini mostrassero una chiara violazione CP, sosterrebbe ulteriormente la leptogenesi come causa dello squilibrio tra materia e antimateria della soluzione, l'ipotesi.

6.3 Ricerca del decadimento del protone

Se gli scenari di barionogenesi GUT sono corretti, il decadimento del protone potrebbe essere una fonte importante di indizi. Esperimenti come Super-Kamiokande (e in futuro Hyper-Kamiokande) stabiliscono rigorosamente i limiti della vita del protone per diversi canali di decadimento. La scoperta di qualsiasi decadimento del protone sarebbe estremamente importante, poiché fornirebbe indizi seri sulla violazione del numero barionico a livelli di alta energia.

6.4 Ricerca degli assioni

Sebbene gli assioni (particelle ipotetiche legate al problema forte della KP la soluzione) non sono direttamente collegati alla barionogenesi nel senso tradizionale, ma anche potrebbe svolgere un ruolo nella storia termica primordiale dell'Universo e determinare possibili disproporzioni tra materia e antimateria. Pertanto, la ricerca degli assioni rimane una parte importante nella risoluzione del grande puzzle dell'Universo.

Conclusione

La dominanza cosmica della materia rispetto all'antimateria rimane una delle principali questioni aperte della fisica. Il modello standard prevede una certa violazione della KP, tuttavia insufficiente a spiegare la scala di asimmetria osservata. Questa discrepanza crea la necessità di una nuova fisica – o di energie più elevate (ad esempio, su scala DVT), o introducendo particelle e interazioni aggiuntive, ancora non è stata trovata.

Sebbene la barogenesi elettrodebole, Barogenesi DVT e leptogenesi sono possibili meccanismi, è necessaria un'ulteriore analisi sperimentale e teorica. Misure ad alta precisione esperimenti di fisica degli acceleratori, studi sulle oscillazioni dei neutrini e decadimenti rari nelle ricerche e le osservazioni astrofisiche continuano a testare queste teorie. La risposta a la questione del perché la materia ha prevalso sull'antimateria può non solo ampliare la nostra comprensione dell'origine dell'Universo, ma anche rivelare aspetti completamente nuovi della nostra realtà aspetti.

Fonti consigliate e letture aggiuntive

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Prove per il Decadimento 2π del K20 Mesone.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Collegamento]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Violazione dell'invarianza CP, asimmetria C, e l'Asimmetria barionica dell'Universo.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Dati completi e fonte di riferimento sulle proprietà delle particelle, la violazione di CP e la fisica oltre Oltre i confini del modello 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 libro classico su processi cosmologici, inclusa la barionogenesi.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Esamina in dettaglio l'inflazione, la nucleosintesi e sulla barionogenesi.

Questi lavori forniscono un contesto teorico ed sperimentale più profondo sulla violazione di CP, la violazione del numero barionico e le possibili asimmetrie materia-antimateria dell'Universo meccanismi. Con l'aumento della quantità di nuovi dati sperimentali, ci avviciniamo alla risposta į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, o nessuno?

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