Medžiaga prieš antimateriją

Materiale mot antimaterie

Materie vs. Antimaterie: ubalanse som tillot materie å dominere

En av de dypeste gåtene i moderne fysikk og kosmologi er hvorfor vår Universet består nesten utelukkende av materie, og det er svært lite antimaterie. Basert på dagens forståelse, skulle materie og antimaterie ha vært dannet i nesten like mengder i de aller tidligste øyeblikkene etter Det store eksplosjon, så de skulle ha fullstendig annihilert – men det skjedde ikke. En liten materieoverskuddet (omtrent en del per milliard) overlevde og dannet galakser, stjerner, planeter og til slutt liv slik vi kjenner det. Denne åpenbare asymmetrien mellom materie og antimaterie omtales ofte som barionisk universas asymmetri begrepet, som er nært knyttet til fenomener kalt KP (eng. CP) brudd og bariondannelse.

I denne artikkelen vil vi diskutere:

  1. En kort historisk oversikt over oppdagelsen av antimaterie.
  2. Natur av ubalansen mellom materie og antimaterie.
  3. KP (ladning og paritet) symmetri og dens brudd.
  4. Sakharov-betingelsene for bariondannelse.
  5. Foreslåtte hypoteser om dannelsen av asymmetri mellom materie og antimaterie (f.eks. elektrosvak baryogenese, leptogenese).
  6. Pågående eksperimenter og fremtidige retninger.

På slutten av artikkelen vil du ha en generell forståelse av hvorfor vi mener at det i universet finnes mer materie enn antimaterie, og du vil lære hvordan vitenskapen forsøker å fastslå den nøyaktige mekanismen som forårsaker denne kosmiske ubalansen.

1. Historisk kontekst: oppdagelsen av antimaterie

Konseptet antimaterie ble først teoretisk forutsagt av den engelske fysikeren Paul Dirac utarbeidet i 1928 et sett med ligninger (Dirac-ligningen), som beskriver relativistisk bevegelige elektroner. Denne ligningen tillot uventet å finne løsninger som tilsvarer partikler med positiv og negativ energi. «Negativ energis» løsninger ble senere tolket som partikler med samme masse som elektronet, men med motsatt elektrisk ladning.

  1. Oppdagelsen av positronet (1932): I 1932 oppdaget den amerikanske fysikeren Carl Anderson bekreftet eksperimentelt eksistensen av antimaterie eksistens ved å oppdage positronet (elektronets antipartikkel) i kosmisk stråling i etterlatte spor.
  2. Antiproton og antineutron: Antiprotonet ble oppdaget i 1955 Emilio Segrè og Owen Chamberlain, og antineutronen ble oppdaget i 1956.

Disse oppdagelsene styrket tanken om at for hver Standardmodell-partikkeltype eksisterer en antipartikkel med motsatte kvantetall (f.eks. elektrisk ladning, baryontall), men den samme massen og spinn.

2. Naturen til ubalansen mellom materie og antimaterie

2.1 Jevn dannelse i det tidlige universet

Under Big Bang var universet ekstremt varmt og tett, så energien nivået var høyt nok til at materie- og antimateriepartikler kunne dannes par. Ifølge vanlig forståelse, i gjennomsnitt for hver dannet materiepartikkel for hver partikkel måtte det skapes en tilsvarende antipartikkel. Etter hvert som universet utvidet seg og ved avkjøling måtte disse partiklene og antipartiklene nesten fullstendig annihileres, omdanner masse til energi (vanligvis gammastrålefotoner).

2.2 Gjenværende materie

Observasjoner viser imidlertid at universet hovedsakelig består av materie. Den rene ubalanse er liten, men det var nettopp denne som var avgjørende. Dette forholdet kan kvantitativt vurdert, med tanke på baryontetthet (materie) og fotontetthet Vis forholdet, ofte betegnet η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmisk mikrobølgebakgrunn (KMF) – hentet fra oppdrag som COBE, WMAP og Planck – data viser:

η ≈ 6 × 10−10.

Dette betyr at for hver milliard fotoner som ble igjen etter Big Bang, er det omtrent en proton (eller nøytron) – men det viktigste er at den ene barionen overgikk sin tilsvarende antibarion. Spørsmålet er: hvordan oppsto denne lille, men essensielle asymmetrien?

3. KP-symmetri og dens brudd

3.1 Symmetri i fysikk

I partikkelfysikk betyr K (ladningskonjugasjon) symmetri bytte av partikler og bytte av deres antipartikler. P (paritet) symmetri betyr romlig invers speiling (endre fortegnet til romkoordinatene). Hvis en fysisk lov forblir uendret under både K- og P-transformasjoner (dvs. "hvis bildet forblir er den samme når partikler byttes ut med antipartikler, og venstre og høyre byttes om noen steder"), sier vi at KP-symmetrien opprettholdes.

3.2 Tidlig oppdagelse av KP-brudd

Det ble først antatt at KP-symmetri kunne være en grunnleggende egenskap i naturen, spesielt etter og på 1950-tallet ble det oppdaget kun brudd på paritet (P). Men i 1964 James Cronin og Val Fitch oppdaget at nøytrale kaoner (K0) ved henfall bryter CP-symmetrien (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Dette revolusjonerende resultatet viste at selv CP kan noen ganger brytes i visse svake vekselvirkningsprosesser.

3.3 CP-brudd i Standardmodellen

I Standardmodellens partikkelfysikk kan CP-brudd oppstå fra faser Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-matrisen, som beskriver hvordan kvarker av forskjellige “smaker” går over i hverandre via svak vekselvirkning. Senere, i nøytrinofysikk oppstod et annet ledd i blandingsmatrisen – Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS)-matrisen, som også kan må ha CP-bruddende faser. Men så langt har det observerte omfanget av CP-brudd i disse i sektorene er for liten til å forklare universets bariontall asymmetri. Derfor antas det at det finnes ekstra kilder til CP-brudd utenfor Standardmodellens rammer.

4. Sakharovs betingelser for bariongenese

I 1967 formulerte den russiske fysikeren Andrej Sakharov tre nødvendige betingelser for at materie og antimaterie kunne oppstå i det tidlige univers antimaterieasymmetri (Sakharov, 1967 [2]):

  1. Brudd på bariontall: Det må forekomme vekselvirkning eller prosesser som endrer netto baryontall B. Hvis baryontallet er strengt opprettholdes, kan ikke asymmetri mellom baryoner og antibaryoner dannes.
  2. K- og CP-brudd: Prosesser som skiller materie og antimaterie, er nødvendig. Hvis K og CP var perfekte symmetrier, ville enhver prosess som skaper flere baryoner enn antibaryoner, bør ha et speilbilde som produseres like mange antibaryoner, og "nøytraliserer" dermed ethvert overskudd.
  3. Avvik fra termisk likevekt: I termisk likevekt partikkelskaping og anihilasjon skjer likt i begge retninger, derfor balansen opprettholdes. En termisk balansert omgivelse, for eksempel, det raskt ekspanderende og avkjølende universet tillater visse prosesser «fange» asymmetrien.

Hver vellykket baryogeneseteori eller mekanisme må oppfylle disse tre betingelser for å forklare den observerte ubalansen mellom materie og antimaterie.

5. Foreslåtte mekanismer for dannelse av asymmetri mellom materie og antimaterie

5.1 Elektrosvak barogenese

Elektrosvak barogenese hevder at baryonisk asymmetri ble dannet omtrent samtidig som den elektrosvake faseovergangsfasen fant sted (~10−11 sek. etter Big Bang). Hovedaspekter:

  • Higgs-feltet får en ikke-lineær vakuumverdi og dermed bryter spontant den elektrosvake symmetrien.
  • Ikke-perturbative prosesser, kalt sferaloner, kan bryte den totale baryon- og leptontallet (B+L), men bevare baryon- og lepton forskjellen (B−L).
  • Faseovergangen, hvis den var av første orden (dvs. karakterisert ved bobledannelse), ville skape nødvendig avvik fra termisk likevekt.
  • CP-bruddende vekselvirkningsprosesser i Higgs-sektoren eller under kvarkblanding ville bidra til ubalansen mellom materie og antimaterie som oppstår i boblene.

Dessverre, i det nåværende parameterområdet for Standardmodellen (spesielt ved 125 GeV masse oppdagelsen av Higgs-bosonet) lite sannsynlig at den elektrosvake faseovergangen var av første orden. I tillegg er CP-bruddet gitt av CKM-matrisen for lite. Derfor er mange teoretikere foreslår fysikk utenfor Standardmodellen – for eksempel ekstra skalarfelt – for at elektrosvak bariondannelse skal bli mer realistisk.

5.2 DVT (GUT) bariondannelse

Store enhetsteorier (GUT) søker å forene den sterke, den svake og elektromagnetiske vekselvirkningen under svært høye energiforhold (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai og Higso bozonai kan formidle protonforfall eller andre prosesser som bryter baryontall. Hvis disse prosessene skjer utenfor termisk likevekt, i det tidlige universets omgivelser kan de i hovedsak generere baryonasymmetri. Det er imidlertid nødvendig at CP-brudd i disse GUT-scenariene er tilstrekkelig stort, og protonforfall som GUT forutsier, har foreløpig ikke blitt observert i eksperimenter ble ikke oppdaget med de forventede frekvensene. Dette begrenser enklere GUT baryogenese-modeller.

5.3 Leptogenese

Leptogenese starter med asymmetri mellom leptoner og antileptoner. Denne leptonasymmetrien omdannes senere til elektrosvake sphaleron-prosesser i løpet av perioden delvis konvertert til baryonisk asymmetri, fordi disse prosessene kan for å konvertere leptoner til baryoner. En populær mekanisme er:

  1. "Seesaw"-mekanismen: Tunge høyresnurrende leptoner introduseres nøytrinoer (eller andre tunge leptoner).
  2. Disse tunge nøytrinoene kan brytes ned via CP-brudd og skape asymmetri i leptonsektoren asymmetri.
  3. Sphaleron-interaksjoner konverterer en del av denne leptoniske asymmetrien til baryonisk asymmetri.

Leptogenese er attraktiv fordi den knytter opprinnelsen til neutrino-masser (observerbar neutrino oscillasjoner) med ubalanse mellom kosmisk materie og antimaterie. I tillegg mangler den noen begrensende faktorer som hindrer for elektro-svak barogenese, derfor nevnes den ofte som en av hovedårsakene komponenter av nye fysikkteorier.

6. Pågående eksperimenter og fremtidige retninger

6.1 Høyenergiakseleratorer

Slike akseleratorer som Large Hadron Collider (LHC) – spesielt eksperimentet LHCb – kan være følsomme for KP-brudd i ulike mesoners (B, D, osv.) desintegrasjoner. Ved å måle omfanget av KP-brudd og ved å sammenligne det med Standardmodellens prediksjoner, håper forskere å finne avvik som kan indikere ny fysikk utenfor Standardmodellens rammer.

  • LHCb: Spesialiserer seg på presise målinger av sjeldne desintegrasjoner og KP-brudd b-kvarksektoren i studier.
  • Belle II (KEK i Japan) og det allerede fullførte BaBar (SLAC) har også undersøkt KP-brudd i B-mesoners systemer.

6.2 Nøytrinoeksperimenter

Neste generasjons nøytrino-oscillasjonseksperimenter, som DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) i USA og Hyper-Kamiokande i Japan, har som mål å måle med høy presisjon KP-bruddets fase i PMNS-matrisen. Hvis nøytrinoer viste tydelig KP-brudd, det ville ytterligere støtte leptogenese som årsak til ubalansen mellom materie og antimaterie løsning, hypotesen.

6.3 Søk etter protonforfall

Hvis GUT-barionese-scenarier er riktige, kan protonforfall være viktig kilde til hint. Slike eksperimenter som Super-Kamiokande (og i fremtiden Hyper-Kamiokande) setter strenge grenser for protonets levetid i forskjellige forfallskanaler. Enhver oppdagelse av protonforfall ville være svært viktig, da det ville gi alvorlige hint om brudd på bariontall på høyt energinivå.

6.4 Aksjonsøk

Selv om aksioner (hypotetiske partikler knyttet til det sterke KP-problemet løsning) er ikke direkte knyttet til barionese i vanlig forstand, de er også kunne spille en viss rolle i den tidlige universets termiske historie og å bestemme mulige disproposjoner mellom materie og antimaterie. Derfor kan aksionsøk forblir en viktig del i å løse det generelle universets puslespill.

Konklusjon

Kosmisk dominans av materie over antimaterie forblir en av hoved åpne fysikkspørsmål. Standardmodellen forutsier en viss KP-brudd, men utilstrekkelig til å forklare det observerte omfanget av asymmetri. Denne uoverensstemmelsen krever behovet for ny fysikk – eller høyere energi (f.eks. på DVT-skala), eller ved å introdusere ekstra partikler og interaksjoner som fortsatt ikke funnet.

Selv om elektrosilpnė barigenezė, DVT barigenezė og leptogenezė er mulige mekanismer, kreves videre eksperimentell og teoretisk analyse. Høy presisjon eksperimenter i akseleratorfysikk, studier av nøytrino-oscillasjoner og sjeldne henfall studier og astrofysiske observasjoner fortsetter å teste disse teoriene. Svaret på spørsmålet om hvorfor materie vant over antimaterie, kan ikke bare utvide vår forståelse av universets opprinnelse, men også avsløre helt nye sider ved vår virkelighet aspekter.

Anbefalte kilder og videre lesning

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Bevis for 2π-nedbrytning av K20 Meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Lenke]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Brudd på CP-invarians, C-asymmetri, og Baryon Asymmetry of the Universe.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Omfattende data og en oversiktskilde om partikkelegenskaper, CP-brudd og fysikk utenfor Utenfor standardmodellen.
  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. – En klassisk bok om kosmologiske prosesser, inkludert baryogenese.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Gir en grundig gjennomgang av inflasjon, kjernefysisk syntese og baryogenese.

Disse arbeidene gir en dypere teoretisk og eksperimentell kontekst om CP-brudd, brudd på baryontall og mulige asymmetrier mellom materie og antimaterie i universet mekanismer. Med økende mengde nye eksperimentelle data nærmer vi oss svaret į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, eller ingenting?

Gå tilbake til bloggen