Medžiaga prieš antimateriją

Materiāls pret antimateriālu

Viela pret antivielu: disbalanss, kas ļāva vielai dominēt

Viena no dziļākajām mūsdienu fizikas un kosmoloģijas mīklām ir, kāpēc mūsu Visums sastāv gandrīz tikai no vielas, un antivielas tajā ir ļoti maz. Pamatojoties uz pašreizējo izpratni, vielai un antivielai vajadzēja būt radās gandrīz vienādās daudzumos pašās agrīnākajās brīžos pēc Lielā sprādziena dēļ, tāpēc tām vajadzēja pilnībā anihilēties – taču tas nenotika. Neliels vielas pārpalikums (aptuveni viena daļa no miljarda) saglabājās un veidoja galaktikas, zvaigznes, planētas un galu galā dzīvību, kādu mēs to pazīstam. Šis acīmredzamais vielas un antivielas asimetriju bieži sauc par bariona Visuma asimetrijas terminu un cieši saistīts ar par parādībām, ko sauc par KP (angļu CP) pārkāpumu un barogēnēze.

Šajā rakstā apskatīsim:

  1. Īss antivielas atklāšanas vēsturisks pārskats.
  2. Vielas un antivielas disbalansa būtība.
  3. KP (lādiņa un paritātes) simetrija un tās pārkāpums.
  4. Sacharova nosacījumi barogēnēzei.
  5. Ierosinātās vielas un antivielas asimetrijas veidošanās hipotēzes (piem., elektrāsvājo barogēzi, leptogēzi).
  6. Veicamie eksperimenti un nākotnes virzieni.

Raksta beigās jums būs vispārējs priekšstats, kāpēc, mūsuprāt, Visumā ir vairāk matērijas nekā antimatērijas, un uzzināsiet, kā zinātne cenšas noteikt precīzu mehānismu, kas izraisa šo kosmisko nelīdzsvarotību.

1. Vēsturiskais konteksts: antimatērijas atklājums

Antimatērijas koncepciju pirmo reizi teorētiski paredzēja angļu fiziķis Pols Diraks 1928. gadā izveidoja vienādojumu kopumu (Diraka vienādojums), aprakstot relativistiski kustīgus elektronus. Šī vienādojuma dēļ neticami tika atrasts risinājumi, kas atbilst daļiņām ar pozitīvu un negatīvu enerģiju. „Negatīvās enerģijas" risinājumus vēlāk interpretēja kā daļiņas, kurām ir tādu pašu masu kā elektronam, bet ar pretēja zīmes elektrisko lādiņu.

  1. Pozitrona (1932. g.) atklājums: 1932. gadā amerikāņu fiziķis Kārlis Andersons eksperimentāli apstiprināja antimatērijas eksistenci atklājot pozitronu (elektrona antidaļiņu) kosmiskajos starojumos atstātajās pēdās.
  2. Antiprotons un antineitrons: Antiprotonu 1955. gadā atklāja Emilijo Segre un Ovens Čemberlens, bet antineitrons tika atklāts 1956. gadā.

Šie atklājumi pastiprināja domu, ka katrai Standarta modeļa daļiņas sugai eksistē antidaļiņa, kurai ir pretēji kvantu skaitļi (piem., elektriskais lādiņš, barjonu skaitu), taču to pašu masu un sukinus.

2. Vielas un antivielas disbalansa būtība

2.1 Vienmērīga veidošanās agrīnajā Visumā

Lielā sprādziena laikā Visums bija ārkārtīgi karsts un blīvs, tāpēc enerģija līmenis bija pietiekami augsts, lai veidotos vielas un antivielas daļiņas pāris. Pēc parastās izpratnes, vidēji katrai veidojošajai vielas daļiņai bija jāveidojas kopā ar atbilstošu antidaļiņu. Visumam paplašinoties un atdziestot, šīs daļiņas un antidaļiņas gandrīz pilnībā anihilējās, pārvēršot masu enerģijā (parasti gama staru fotonos).

2.2 Atlikusī viela

Tomēr novērojumi rāda, ka Visums galvenokārt sastāv no vielas. Tīrā disproporcionālitāte ir neliela, taču tieši tā bija izšķiroša. Šo attiecību var kvantitatīvi novērtēt, raugoties uz barjonu (vielas) blīvuma un fotonu blīvuma Visuma attiecība, bieži apzīmēta η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmiskā mikroviļņu fona (KMF) – iegūti no tādām misijām kā COBE, WMAP un Planck – dati rāda:

η ≈ 6 × 10−10.

Tas nozīmē, ka uz miljardu fotonu, kas palikuši pēc Lielā sprādziena, ir aptuveni viens protons (vai neitrons) – taču svarīgākais ir tas, ka tas viens barions pārspēja savu atbilstošo antibarionu. Rodas jautājums: kā radās šī maziņa, bet būtiskā asimetrija?

3. KP simetrija un tās pārkāpums

3.1 Simetrija fizikā

Daļiņu fizikā K (lādiņa konjugācijas) simetrija nozīmē daļiņu un to antidaļiņu apmaiņu. P (paritātes) simetrija nozīmē telpisku inverso atspoguļojumu (telpas koordinātu zīmes maiņu). Ja fizikas likums paliek nemainīgs, veicot gan K, gan P transformācijas (t.i., "ja attēls paliek ir tāds pats, kad daļiņas tiek aizstātas ar antidaļiņām, un kreisā un labā puse ir apmainītas vietām"), sakām, ka tiek ievērota KP simetrija.

3.2 Agrīnais KP pārkāpuma atklājums

Sākotnēji tika uzskatīts, ka KP simetrija varētu būt fundamentāla dabas īpašība, īpaši pēc kad 1950. gados tika atklāts tikai paritātes (P) pārkāpums. Tomēr 1964. gadā Džeimss Kronins un Vols Fišs atklāja, ka neitrīno kaoni (K0) sabrukums pārkāpj KP simetriju (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Šis revolucionārais rezultāts parādīja, ka pat KP reizēm var tikt pārkāpts noteiktos vājās mijiedarbības procesos.

3.3 KP pārkāpums Standarta modelī

Standarta daļiņu fizikas modelī KP pārkāpums var rasties no fāzēm Kabibo-Kobajaši-Maskavas (CKM) matrica, kas apraksta, kā dažādi „garšas“ kvarki pāriet viens otrā, iedarbojoties vājajai mijiedarbībai. Vēlāk, neitrīno fizikā parādījās vēl viens sajaukšanas matricas termins – Pontekorvo–Makio–Nakagavas–Sakatas (PMNS) matrica, kas var arī jābūt KP pārkāpjošām fāzēm. Tomēr līdz šim novērotais KP pārkāpuma apjoms šajos sektoros ir pārāk maza, lai izskaidrotu Visuma bārija asimetriju. Tāpēc tiek uzskatīts, ka pastāv papildu KP pārkāpuma avoti ārpus Standarta modeļa robežām.

4. Saharova nosacījumi bariogēzei

1967. gadā krievu fiziķis Andrejs Saharovs formulēja trīs nepieciešami nosacījumi, lai agrīnajā Visumā varētu rasties viela un antvielas asimetrija (Sacharovs, 1967 [2]):

  1. Bārija skaita pārkāpums: Jānotiek mijiedarbībai vai procesi, kas maina tīro bariona skaitu B. Ja bariona skaits stingri saglabāts, barionu un antibarionu asimetrija nevar rasties.
  2. K un KP pārkāpums: Procesi, kas atšķir vielu un antivielu, ir nepieciešami. Ja K un KP būtu pilnīgas simetrijas, jebkurš process, radot vairāk barionu nekā antibarionu, būtu jābūt spoguļattēlam, kas radītu tikpat daudz antibarionu, tādējādi „anulējot“ jebkādu pārpalikumu.
  3. Novirze no termiskās līdzsvara: Termiskajā līdzsvarā daļiņu radīšanas un anihilācijas procesi notiek abos virzienos vienādi, tāpēc saglabājas līdzsvars. Neideāli līdzsvarota vide, piemēram, ātri paplašojošā un atdzistošā Visuma ļauj noteiktiem procesiem „fiksēt“ asimetriju.

Katra veiksmīga barogēzes teorija vai mehānisms ir jāatbilst šiem trim nosacījumi, lai varētu izskaidrot novēroto vielas un antivielas disbalansu.

5. Piedāvātie vielas un antivielas asimetrijas veidošanās mehānismi

5.1 Elektrosvārstību barogēze

Elektrosvārstību barogēze apgalvo, ka bariona asimetrija radās aptuveni tajā laikā, kad notika elektrosvārstību fāzes pārejas stadija (~10−11 sek. pēc Lielā sprādziena). Galvenie aspekti:

  • Higsa lauks iegūst nelineāru vakuuma vērtību un tādējādi spontāni pārtrauc elektrosilpno simetriju.
  • Neperturbatīvi procesi, ko sauc par sfēroniem, var pārkāpt kopējo barjonu un leptonu skaitu (B+L), bet saglabātu barjonu un leptonu atšķirību (B−L).
  • Fāzes pāreja, ja tā būtu I kārtas (t.i., raksturīga burbuļu veidošanās), radītu nepieciešamo novirzi no termiskās līdzsvara.
  • KP pārkāpjoši mijiedarbības procesi Higsa sektorā vai kvarku sajaukšanās laikā veicinātu vielas un antivielas nelīdzsvarotību, kas rodas burbuļos.

Diemžēl esošajā Standarta modeļa parametru diapazonā (īpaši pie 125 GeV masas Higsa bozona atklāšanai) maz ticams, ka elektrosilpā fāzes pārejas stadija bija I kārtas. Turklāt CKM matricas nodrošinātā KP pārkāpšana ir pārāk maza. Tāpēc daudzi teoretiķi piedāvā ārpus Standarta modeļa robežām eksistējošu fiziku – piemēram, papildu skalāros laukus – lai elektrosilpā barogēnēze kļūtu reālāka.

5.2 DVT (GUT) barogēnēze

Lielās apvienošanas teorijas (GUT) cenšas apvienot stipro, vāju un elektromagnētisko mijiedarbību ļoti augstas enerģijas apstākļos (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozoni un Higsa bozoni var starpniekot protona sabrukumu vai citus barionu skaitu pārkāpošus procesus. Ja šie procesi notiek netermiskā vidē agrīnā Visumā tie būtībā var ģenerēt barionu asimetriju. Tomēr ir nepieciešams, lai KP pārkāpums šajos DVT scenārijos būtu pietiekami liels, bet protona sabrukumu, ko DVT prognozē, eksperimentāli līdz šim nav izdevies atklāt tādos biežumos, kādi tika gaidīti. Tas ierobežo vienkāršākos DVT barogēzes modeļus.

5.3 Leptogēze

Leptogēze sākas ar leptonu un antileptonu asimetriju. Šī leptonu asimetrija vēlāk caur sferalonu procesiem elektrosvārstspējīgajā perioda laikā daļēji pārvēršas barionu asimetrijā, jo šie procesi var leptonus konvertēt barionos. Viens populārs mehānisms ir:

  1. „Seesaw“ mehānisms: tiek ieviesti smagi labās puses griešanās neutrīnus (vai citus smagus leptonus).
  2. Šie smagie neutrīni var sabrukt KP pārkāpuma dēļ, radot leptonu sektora asimetrijā.
  3. Sferalonu mijiedarbības daļu šīs leptonu asimetrijas pārvērš barionu asimetrija.

Leptogēze ir pievilcīga, jo tā saista neutrīno masu izcelsmi (novērojamo neutrīno oscilācijās) ar kosmisko vielu un antimaterijas disbalansu. Turklāt tai nav raksturīgi daži ierobežojoši faktori, kas traucē elektrosvārstību barogēnēzei, tāpēc to bieži min kā vienu no galvenajām jaunas fizikas teoriju sastāvdaļas.

6. Veicamie eksperimenti un nākotnes virzieni

6.1 Lielas enerģijas paātrinātāji

Tādi paātrinātāji kā Lielais hadronu paātrinātājs (LHC) – īpaši eksperiments LHCb – var būt jutīgs pret KP bojājumu dažādu mezonu (B, D u.c.) sabrukumos. Mērot KP bojājuma apjomu un salīdzinot to ar Standarta modeļa prognozēm, zinātnieki cer atrast nesakritībās, kas varētu liecināt par jaunu fiziku ārpus Standarta modeļa robežām.

  • LHCb: Specializējas precīzos retu sabrukumu un KP bojājuma b-kvarka sektorā pētījumos.
  • Belle II (KEK Japānā) un jau pabeigtais BaBar (SLAC) arī pētīja KP bojājumu B-mezonu sistēmās.

6.2 Neitriņu eksperimenti

Jaunas paaudzes neitriņu oscilāciju eksperimenti, piemēram, DUNE (Dziļais pazemes neitriņu eksperiments) ASV un Hyper-Kamiokande Japānā cenšas sasniegt augstu precizitāti mērījumos KP bojājuma fāze PMNS matricā. Ja neitriņi rādītu izteiktu KP bojājumu, tas vēl vairāk pamatotu leptogenezes kā vielas un antimateriāla disbalansa lēmuma, hipotēzi.

6.3 Protonu sabrukšanas meklēšana

Ja GUT barionezes scenāriji ir pareizi, protona sabrukšana varētu būt svarīgs norāžu avots. Tādi eksperimenti kā Super-Kamiokande (un nākotnē Hyper-Kamiokande) stingri nosaka protona eksistences ilguma robežas dažādiem sabrukšanas kanāliem. Jebkāda protona sabrukšanas atklāšana būtu ārkārtīgi svarīga, jo sniegtu nopietnas norādes par barionu skaita pārkāpumu augstas enerģijas līmenī.

6.4 Aksionu meklēšana

Lai gan aksioni (hipotētiskas daļiņas, kas saistītas ar stiprās KP problēmu lēmums) nav tieši saistīts ar barionezi parastajā nozīmē, tie arī varētu spēlēt noteiktu lomu agrīnā Visuma termiskajā vēsturē un noteikt iespējamās vielas un antimateriālas disproporcijas. Tāpēc aksionu meklējumi joprojām ir svarīga daļa, risinot Visuma kopējo mīklu.

Secinājums

Kosmiskā vielas dominēšana pār antimateriālu joprojām ir viens no galvenajiem atklātu fizikas jautājumu. Standarta modelis paredz zināmu KP pārkāpumu, tomēr nepietiekamu, lai izskaidrotu novēroto asimetrijas apjomu. Šī neatbilstība izrāda vajadzību pēc jaunas fizikas – vai augstākas enerģijas (piemēram, DVT mērogā), vai ieviešot papildu daļiņas un mijiedarbības, kuras vēl neatradām.

Lai gan elektrosvārstību barogēnēze, DVT barogēnēze un leptogēnēze ir iespējamas mehānismi, nepieciešama turpmāka eksperimentāla un teorētiska analīze. Augstas precizitātes eksperimenti paātrinātāju fizikā, neitrīno oscilāciju pētījumos un retu sabrukumu pētījumos un astrofizikas novērojumi turpina pārbaudīt šīs teorijas. Atbilde uz jautājumu, kāpēc viela uzvarēja pret antivielu, var ne tikai paplašināt mūsu izpratni par Visuma izcelsmi, bet arī atklāt pilnīgi jaunas mūsu realitātes aspekti.

Ieteicamie avoti un papildu lasāmviela

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Pierādījumi par 2π sabrukums K20 Mezons.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Saite]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “CP invariances pārkāpums, C asimetrija, un Visuma bariona asimetrija.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Detalizēti dati un pārskata avots par daļiņu īpašībām, KP pārkāpumu un fiziku ārpus Standartinio modeļa robežās.
  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. – Klasiska grāmata par kosmoloģiskos procesus, tostarp barionezi.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Padziļināti aplūko inflāciju, kodolu sintēzi un barionezi.

Šie darbi sniedz dziļāku teorētisko un eksperimentālo kontekstu par KP pārkāpumu, barjonu skaita pārkāpumu un iespējamo Visuma vielas-antivielas asimetriju mehānismus. Pieaugot jaunu eksperimentālu datu apjomam, tuvojamies atbildei į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, vai neviens?

Atgriezties emuārā