Medžiaga prieš antimateriją

Materiaal tegen antimaterie

Materie vs. Antimaterie: de onbalans die materie liet domineren

Een van de diepste raadsels van de moderne natuurkunde en kosmologie is waarom ons Het universum bestaat bijna volledig uit materie, en er is zeer weinig antimaterie aanwezig. Volgens het huidige begrip moesten materie en antimaterie bijna gelijke hoeveelheden gevormd in de allereerste momenten na de Grote explosie, dus ze hadden volledig moeten annihileren – maar dat gebeurde niet. Een kleine een overschot aan materie (ongeveer één deel per miljard) bleef bestaan en vormde sterrenstelsels, sterren, planeten en uiteindelijk leven zoals wij dat kennen. Deze duidelijke asymmetrie tussen materie en antimaterie wordt vaak aangeduid als asymmetrie van het barionische universum term en nauw verbonden met fenomenen die KP (Eng. CP) schending worden genoemd en barionogenese.

In dit artikel bespreken we:

  1. Een korte historische vooruitblik op de ontdekking van antimaterie.
  2. De aard van de onbalans tussen materie en antimaterie.
  3. KP (lading en pariteit) symmetrie en de schending ervan.
  4. Sacharov-voorwaarden voor barionogenese.
  5. Voorgestelde hypothesen voor de vorming van asymmetrie tussen materie en antimaterie (bijv. elektrische zwakke baryogenese, leptogenese).
  6. Lopende experimenten en toekomstige richtingen.

Aan het einde van het artikel zult u een algemeen begrip hebben waarom wij denken dat er in het heelal meer materie dan antimaterie is, en u zult leren hoe de wetenschap probeert het exacte mechanisme vast te stellen dat deze kosmische onbalans veroorzaakt.

1. Historische context: de ontdekking van antimaterie

Het concept van antimaterie werd voor het eerst theoretisch voorspeld door de Engelse natuurkundige Paul Dirac stelde in 1928 een set vergelijkingen op (de Dirac-vergelijking), die relativistisch bewegende elektronen beschrijft. Deze vergelijking maakte onverwacht de vondst mogelijk oplossingen die overeenkomen met deeltjes met positieve en negatieve energie. Oplossingen met "negatieve energie" werden later geïnterpreteerd als deeltjes met dezelfde massa als het elektron, maar met een elektrische lading van tegengesteld teken.

  1. Ontdekking van de positron (1932): In 1932 ontdekte de Amerikaanse natuurkundige Carl Anderson bevestigde experimenteel het bestaan van antimaterie het bestaan ontdekte door de positron (het antideeltje van het elektron) in kosmische straling achtergelaten sporen.
  2. Antiproton en antineutron: Het antiproton werd in 1955 ontdekt Emilio Segrè en Owen Chamberlain, en het antineutron werd ontdekt in 1956.

Deze ontdekkingen versterkten het idee dat voor elk deeltje van het Standaardmodel er een antideeltje bestaat met tegengestelde kwantumgetallen (bijv. elektrische lading, baryongetal), maar dezelfde massa en spin.

2. De aard van de onbalans tussen materie en antimaterie

2.1 Gelijke vorming in het vroege heelal

Tijdens de oerknal was het heelal extreem heet en dicht, dus energie het niveau was hoog genoeg om materie- en antimateriedeeltjes te vormen paren. Volgens de gebruikelijke opvatting, gemiddeld voor elk gevormd materiedeeltje voor elk deeltje moest een overeenkomstig antideeltje worden gecreëerd. Terwijl het heelal uitdijde en afkoelend, moesten deze deeltjes en antideeltjes bijna volledig annihileren, door massa om te zetten in energie (meestal gammastraling fotonen).

2.2 Overgebleven materie

Observaties tonen echter aan dat het heelal voornamelijk uit materie bestaat. De netto de disproportie is klein, maar juist die was doorslaggevend. Deze verhouding kan kwantitatief beoordelen, kijkend naar de dichtheid van baryonen (materie) en de dichtheid van fotonen De verhouding in het heelal, vaak aangeduid als η = (nB - n̄B) / nγ. Cosmische microgolfachtergrond (CMB) – verkregen uit missies zoals COBE, WMAP en Planck – gegevens toont aan:

η ≈ 6 × 10−10.

Dit betekent dat op elke miljard fotonen die na de Oerknal overbleven, er ongeveer één proton (of neutron) – maar het belangrijkste is dat die ene het barion overtrof zijn overeenkomstige antibarion. De vraag rijst: hoe is deze kleine maar essentiële asymmetrie ontstaan?

3. KP-symmetrie en de schending ervan

3.1 Symmetrie in de fysica

In de deeltjesfysica betekent K (ladingconjugatie) symmetrie de uitwisseling van deeltjes en hun antideeltjesuitwisseling. P (pariteits) symmetrie betekent ruimtelijke inversiereflectie (het veranderen van het teken van ruimtelijke coördinaten). Als een natuurwet blijft ongewijzigd bij zowel K- als P-transformaties (d.w.z. "als het beeld ongewijzigd blijft hetzelfde is wanneer de deeltjes worden vervangen door antideeltjes en links en rechts worden omgewisseld op sommige plaatsen" zeggen we dat de KP-symmetrie wordt gehandhaafd.

3.2 Vroege ontdekking van KP-schending

Aanvankelijk werd gedacht dat KP-symmetrie een fundamentele eigenschap van de natuur kon zijn, vooral na en in de jaren 1950 werd alleen pariteits (P) schending ontdekt. Maar in 1964 James Cronin en Val Fitch ontdekten dat neutrino-kaonen (K0) verval schendt de CP-symmetrie (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Dit revolutionaire resultaat toonde aan dat zelfs CP kan soms worden geschonden in bepaalde zwakke wisselwerkingsprocessen.

3.3 CP-schending in het Standaardmodel

In het Standaardmodel van de deeltjesfysica kan CP-schending voortkomen uit fasen In de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-matrix, die beschrijft hoe verschillende "smaken" quarks veranderen in elkaar onder invloed van de zwakke wisselwerking. Later, in neutrinofysica verscheen een andere term van de mengmatrix – Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS)-matrix, die ook kan CP-schendende fasen moeten hebben. Tot nu toe is de mate van CP-schending in deze in de sectoren is te klein om de barionische asymmetrie van het heelal te verklaren asymmetrie. Daarom wordt aangenomen dat er extra bronnen van CP-schending bestaan buiten het Standaardmodel.

4. Sacharov-voorwaarden voor barionogenese

In 1967 formuleerde de Russische fysicus Andrejus Sacharovas drie noodzakelijke voorwaarden zodat in het vroege heelal materie en antimaterie-asymmetrie (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Schending van het bariongetal: Er moet interactie zijn of processen die het zuivere bariongetal B veranderen. Als het bariongetal strikt behouden blijft, kan er geen barion- en antibarionasymmetrie ontstaan.
  2. K- en CP-schending: Processen die materie en antimaterie is, zijn noodzakelijk. Als K en CP perfecte symmetrieën waren, zou elk proces die meer barionen dan antibarionen creëert, moet een spiegelbeeld hebben dat evenveel antibarionen worden gecreëerd, waardoor elk overschot "geannuleerd" wordt.
  3. Afwijking van thermisch evenwicht: In thermisch evenwicht de processen van deeltjescreatie en annihilatie verlopen in beide richtingen gelijk, dus het evenwicht behouden blijft. Een thermisch in evenwicht zijnde omgeving, bijvoorbeeld, een snel uitdijend en afkoelend heelal, maakt het mogelijk dat bepaalde processen de asymmetrie "vastleggen".

Elke succesvolle barogenesetheorie of -mechanisme moet aan deze drie voldoen voorwaarden om de waargenomen onbalans tussen materie en antimaterie te verklaren.

5. Voorgestelde mechanismen voor de vorming van materie- en antimaterieasymmetrie

5.1 Elektroweak zwakke barogenese

Elektroweak zwakke barogenese stelt dat barionasymmetrie ontstond ongeveer op het moment dat de elektroweak zwakke faseovergang plaatsvond (~10−11 sek. po Didžiojo sprogimo). Belangrijke aspecten:

  • Het Higgs-veld krijgt een niet-lineaire vacuümwaarde en daardoor breekt spontaan de elektroweak symmetrie.
  • Niet-perturbatieve processen, zogenaamde sferalonen, kunnen schenden het totale aantal barionen en leptonen (B+L), maar het aantal barionen en leptonen behouden verschil (B−L).
  • Een faseovergang, als die van de eerste orde zou zijn (d.w.z. kenmerkend door bubbelvorming), zouden de benodigde afwijking van thermisch evenwicht creëren.
  • CP-schendende interactieprocessen in de Higgs-sector of tijdens quarkmenging zou bijdragen aan het onevenwicht tussen materie en antimaterie dat in bubbels ontstaat.

Helaas, binnen het huidige parameterbereik van het Standaardmodel (vooral bij een massa van 125 GeV voor de ontdekking van het Higgs-boson) is het onwaarschijnlijk dat de elektroweak faseovergang was van de eerste orde. Bovendien is de CP-schending die de CKM-matrix biedt te klein. Daarom velen theoretici stellen fysica voor die buiten het Standaardmodel bestaat – bijvoorbeeld extra scalare velden – zodat elektroweak barogenese mogelijk wordt realistischer.

5.2 DVT (GUT) barogenese

Grote unificatietheorieën (GUT) streven ernaar de sterke, de zwakke en elektromagnetische interactie onder extreem hoge energieomstandigheden (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai en Higso bozonai kunnen protonverval of andere processen die het aantal baryonen schenden. Als deze processen niet-thermisch verlopen, in de omgeving van het vroege heelal kunnen ze in principe een baryonasymmetrie genereren. Het is echter noodzakelijk dat CP-schending in deze GUT-scenario's groot genoeg is, en protonverval, voorspeld door GUT, zijn experimenteel tot nu toe niet gelukt gevonden met de frequenties die werden verwacht. Dit beperkt eenvoudigere GUT baryogenese-modellen.

5.3 Leptogenese

Leptogenese begint met een asymmetrie van leptonen en antileptonen. Deze leptonasymmetrie wordt later via sferonprocessen van de elektroweak tijdens de periode gedeeltelijk omgezet in baryonische asymmetrie, omdat deze processen kunnen leptonen geïntroduceerd om te converteren naar baryonen. Een populair mechanisme is:

  1. "Seesaw"-mechanisme: Er worden zware rechtshandige neutrino's (of andere zware leptonen).
  2. Deze zware neutrino's kunnen vervallen via CP-schending, en een asymmetrie in de leptonsector creëren asymmetrie.
  3. Een deel van de sferon-interacties zet deze leptonische asymmetrie om in baryonische asymmetrie.

Leptogenese is aantrekkelijk omdat het de oorsprong van neutrino-massa's verbindt (waarneembaar neutrino-oscillaties) met een kosmische materie- en antimaterie-onbalans. Bovendien ontbreken sommige beperkende factoren die het verhinderen voor elektroweak baryogenese, daarom wordt het vaak genoemd als een van de belangrijkste onderdelen van nieuwe fysica theorieën.

6. Uitgevoerde experimenten en toekomstige richtingen

6.1 Hogere energie versnellers

Versnellers zoals de Grote Hadronenversneller (LHC) – vooral het experiment LHCb – kunnen gevoelig zijn voor KP-schending in verschillende mesonvervalprocessen (B, D, enz.). Door de mate van KP-schending te meten en door het te vergelijken met de voorspellingen van het Standaardmodel, hopen wetenschappers afwijkingen die nieuwe fysica buiten het Standaardmodel zouden kunnen betekenen.

  • LHCb: Gespecialiseerd in precieze metingen van zeldzame vervalprocessen en KP-schending in b-quark sector studies.
  • Belle II (KEK in Japan) en het reeds voltooide BaBar (SLAC) heeft ook KP-schending in B-meson systemen.

6.2 Neutrino-experimenten

Neutrino-oscillatie-experimenten van de nieuwe generatie, zoals DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) in de VS en Hyper-Kamiokande in Japan streeft naar een hoge nauwkeurigheid bij het meten KP-schendingfase in de PMNS-matrix. Als neutrino's een duidelijke KP-schending zouden tonen, zou de leptogenese, als oorzaak van de onbalans tussen materie en antimaterie, verder ondersteunen oplossing, de hypothese.

6.3 Zoektocht naar protonverval

Als GUT-barionogenese-scenario's correct zijn, zou protonverval kunnen zijn belangrijke bron van aanwijzingen. Experimenten zoals Super-Kamiokande (en in de toekomst Hyper-Kamiokande) stelt strikte grenzen aan de levensduur van het proton voor verschillende vervalkanalen. Elke ontdekking van protonverval zou uiterst belangrijk zijn, omdat het serieuze aanwijzingen zou geven over bariongetal schending op hoge energieniveaus.

6.4 Axionzoektocht

Hoewel axionen (hypothetische deeltjes gerelateerd aan het sterke CP-probleem oplossing) niet direct gerelateerd zijn aan barionogenese in de gebruikelijke zin, zijn ze ook een bepaalde rol spelen in de thermische geschiedenis van het vroege universum en mogelijke disproporties tussen materie en antimaterie veroorzaken. Daarom kunnen axionzoektochten blijft een belangrijk onderdeel bij het oplossen van de algemene puzzel van het universum.

Conclusie

Kosmische materiedominantie over antimaterie blijft een van de belangrijkste openstaande vragen in de fysica. Het standaardmodel voorspelt een zekere CP-schending, maar onvoldoende om de waargenomen mate van asymmetrie te verklaren. Deze discrepantie behoefte aan nieuwe fysica – of hogere energie (bijv. op DVT-schaal), of door het introduceren van extra deeltjes en interacties die nog niet gevonden.

Hoewel elektroszwakke barigenese, DVT barigenese en leptogenese zijn mogelijke mechanismen, is verdere experimentele en theoretische analyse noodzakelijk. Hoogwaardige experimenten in versnellerfysica, onderzoek naar neutrino-oscillaties en zeldzame vervalprocessen onderzoeken en astrofysische waarnemingen blijven deze theorieën testen. Het antwoord op vraag waarom materie het won van antimaterie, kan niet alleen ons begrip van het ontstaan van het universum, maar ook geheel nieuwe aspecten van onze realiteit aspecten.

Aanbevolen bronnen en verdere lectuur

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Bewijs voor de 2π-verval van de K20 Meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Link]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Schending van CP-invariantie, C-asymmetrie, en Baryon Asymmetrie van het Universum.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Uitgebreide gegevens en overzichtsbron over de eigenschappen van deeltjes, CP-schending en fysica buiten Binnen de grenzen van het standaardmodel.
  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. – Klassiek boek over kosmologische processen, waaronder ook baryogenese.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Behandelt uitgebreid inflatie, nucleosynthese en baryogenese.

Deze werken bieden een diepere theoretische en experimentele context over CP-schending, schending van het aantal baryonen en mogelijke asymmetrieën tussen materie en antimaterie in het universum mechanismen. Met de toename van nieuwe experimentele gegevens komen we dichter bij een antwoord į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, of niets?

Keer terug naar de blog