Medžiaga prieš antimateriją

Materiał przeciw antymaterii

Materia vs. Antymateria: nierównowaga pozwalająca materii dominować

Jedną z najgłębszych zagadek współczesnej fizyki i kosmologii jest, dlaczego nasz Wszechświat składa się prawie wyłącznie z materii, a antymaterii jest w nim bardzo mało. Według obecnego rozumienia, materia i antymateria powinny były być powstały w niemal równych ilościach w najwcześniejszych chwilach po Wielkim wybuchu, więc powinny całkowicie anihilować – jednak tak się nie stało. Niewielka nadmiar materii (około jedna część na miliard) przetrwał i utworzył galaktyki, gwiazdy, planety, a ostatecznie życie, jakie znamy. Ten oczywisty asymetria materii i antymaterii jest często określana asymetrią barionową Wszechświata i ściśle związaną z nią zjawisk zwanych naruszeniem KP (ang. CP) oraz barogenezę.

W tym artykule omówimy:

  1. Krótka historyczna perspektywa odkrycia antymaterii.
  2. Istota nierównowagi materii i antymaterii.
  3. Symetria KP (ładunku i parzystości) oraz jej naruszenie.
  4. Warunki Sacharowa dla barogenezy.
  5. Proponowane hipotezy powstania asymetrii materii i antymaterii (np. elektrosłaba bariogeneza, leptogeneza).
  6. Przeprowadzane eksperymenty i kierunki na przyszłość.

Na końcu artykułu będziesz mieć ogólne zrozumienie, dlaczego naszym zdaniem we Wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii i dowiesz się, jak nauka próbuje określić dokładny mechanizm powodujący tę kosmiczną nierównowagę.

1. Kontekst historyczny: odkrycie antymaterii

Koncepcję antymaterii po raz pierwszy teoretycznie przewidział angielski fizyk Paul Dirac w 1928 r. stworzył zestaw równań (równanie Diraca), opisującą relatywistycznie poruszające się elektrony. To równanie niespodziewanie pozwoliło znaleźć rozwiązania odpowiadające cząstkom z energią dodatnią i ujemną. Rozwiązania „energii ujemnej” później interpretowano jako cząstki posiadające taką samą masę jak elektron, ale o przeciwnym ładunku elektrycznym.

  1. Odkrycie pozytonu (1932): W 1932 r. amerykański fizyk Carl Anderson doświadczalnie potwierdził istnienie antymaterii istnienie wykrywając pozyton (antycząstkę elektronu) w promieniach kosmicznych pozostawionych śladach.
  2. Antyproton i antyneutron: Antyproton został odkryty w 1955 r. Emilio Segrè i Owen Chamberlain, a antyneutron odkryto w 1956 r.

Te odkrycia wzmocniły przekonanie, że dla każdego rodzaju cząstki Modelu Standardowego istnieje antycząstka o przeciwnych liczbach kwantowych (np. ładunku elektrycznym, liczba barionowa), ale tę samą masę i skręty.

2. Natura dysproporcji materii i antymaterii

2.1 Jednorodne powstawanie we wczesnym Wszechświecie

Podczas Wielkiego Wybuchu Wszechświat był niezwykle gorący i gęsty, więc energia poziom był wystarczająco wysoki, aby powstały cząstki materii i antymaterii pary. Zgodnie z powszechnym rozumieniem, średnio na każdą powstałą cząstkę materii dla każdej cząstki musiała powstać odpowiednia antycząstka. Wraz z rozszerzaniem się Wszechświata w miarę ochładzania się, te cząstki i antycząstki musiały niemal całkowicie anihilować, przekształcając masę w energię (najczęściej w fotony promieniowania gamma).

2.2 Pozostała materia

Jednak obserwacje pokazują, że Wszechświat składa się głównie z materii. Czysta dysproporcja jest niewielka, jednak to właśnie ona była decydująca. Ten stosunek można ilościowo oceniany, patrząc na gęstość barionów (materii) i gęstość fotonów W całym Wszechświecie stosunek, często oznaczany η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmicznego mikrofalowego tła (KMF) – uzyskane z takich misji jak COBE, WMAP i Planck – dane pokazuje:

η ≈ 6 × 10−10.

Oznacza to, że na miliard fotonów pozostałych po Wielkim Wybuchu przypada około jeden proton (lub neutron) – ale najważniejsze jest to, że ten jeden barion przewyższył swój odpowiedni antybarion. Pojawia się pytanie: jak powstała ta malutka, ale istotna asymetria?

3. Symetria CP i jej naruszenie

3.1 Symetria w fizyce

W fizyce cząstek K (koniugacja ładunku) oznacza symetrię między cząstkami a zamianę ich antycząstek. P (parzystość) oznacza symetrię przestrzenną odwrotne odbicie (zmiana znaku współrzędnych przestrzennych). Jeśli prawo fizyczne pozostaje niezmieniona przy zastosowaniu transformacji K i P (tzn. „jeśli obraz pozostaje jest taka sama, gdy cząstki zostają zamienione na antycząstki, a lewa i prawa strona są zamienione miejscami"), mówimy, że zachowana jest symetria CP.

3.2 Wczesne odkrycie naruszenia symetrii CP

Początkowo uważano, że symetria CP może być fundamentalną cechą natury, zwłaszcza po a w latach 1950 odkryto jedynie naruszenie parzystości (P). Jednak w 1964 r. James Cronin i Val Fitch ustalili, że neutrinowe kaony (K0) rozpadając się łamie symetrię CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Ten rewolucyjny wynik pokazał, że nawet CP czasami może być łamane w niektórych procesach oddziaływań słabych.

3.3 Łamanie CP w Modelu Standardowym

W Modelu Standardowym fizyki cząstek łamanie CP może pochodzić z faz macierz Kabiby-Kobajashiego-Maskawy (CKM), opisująca, jak różne „smaki” kwarków przechodzą jeden w drugi pod wpływem oddziaływań słabych. Później, w fizyce neutrin pojawił się inny termin macierzy mieszania – macierz Pontecorvo–Maki–Nakagawy–Sakaty (PMNS), która może również muszą istnieć fazy łamiące CP. Jednak do tej pory obserwowany stopień łamania CP w tych w sektorach jest zbyt mała, aby wyjaśnić barionową asymetrię. Dlatego uważa się, że istnieją dodatkowe źródła łamania CP poza granicami Modelu Standardowego.

4. Warunki Sacharowa dla barogenezy

W 1967 r. rosyjski fizyk Andriej Sacharow sformułował trzy konieczne warunki, aby w wczesnym Wszechświecie mogła powstać materia i asymetria antymaterii (Sacharow, 1967 [2]):

  1. Łamanie liczby barionowej: Musi zachodzić oddziaływanie lub procesy zmieniające czystą liczbę barionową B. Jeśli liczba barionowa jest ściśle zachowana, asymetria barionów i antybarionów nie może powstać.
  2. Łamanie K i CP: Procesy rozróżniające materię i antymaterię, są niezbędne. Gdyby K i CP były doskonałymi symetriami, każdy proces, tworzący więcej barionów niż antybarionów, powinien mieć swój lustrzany odpowiednik, który tworzy się tyle samo antybarionów, „anulując" wszelkie nadmiary.
  3. Odejście od równowagi termicznej: W stanie równowagi termicznej procesy tworzenia i anihilacji cząstek zachodzą w obu kierunkach jednakowo, dlatego zachowana równowaga. Środowisko termicznie zrównoważone, na przykład, szybko rozszerzający się i ochładzający Wszechświat pozwala na pewne procesy „zatrzymać" asymetrię.

Każda udana teoria lub mechanizm barogenezy musi spełniać te trzy warunki, które pozwalają wyjaśnić obserwowaną nierównowagę materii i antymaterii.

5. Proponowane mechanizmy powstawania asymetrii materii i antymaterii

5.1 Elektrosłaba barogeneza

Elektrosłaba barogeneza twierdzi, że asymetria barionowa powstał mniej więcej w czasie, gdy zachodził elektrosłaby etap przejściowy fazy (~10−11 sek. po Wielkiego Wybuchu). Główne aspekty:

  • Pole Higgsa uzyskuje nieliniową wartość próżniową i w ten sposób spontanicznie łamie symetrię elektrosłabą.
  • Nieperturbacyjne procesy zwane sferalonami mogą naruszać łączną liczbę barionów i leptonów (B+L), ale zachować liczbę barionów i leptonów różnicę (B−L).
  • Przejście fazowe, jeśli byłoby pierwszego rzędu (tzn. charakteryzujące się powstawaniem baniek), wytworzyłyby niezbędne odchylenie od równowagi termicznej.
  • Procesy oddziaływań naruszające CP w sektorze Higgsa lub podczas mieszania kwarków przyczyniłoby się do nierównowagi materii i antymaterii powstającej w bańkach.

Niestety, w obecnym zakresie parametrów Standardowego Modelu (szczególnie przy masie 125 GeV Odkryciu bozonu Higgsa) mało prawdopodobne jest, aby fazowe przejście elektrosłabe były pierwszego rzędu. Ponadto naruszenie CP dostarczane przez macierz CKM jest zbyt małe. Dlatego wielu teoretycy proponują fizykę poza Standardowym Modelem – na przykład dodatkowe pola skalarne – aby barogeneza elektrosłaba stała się bardziej realistyczna.

5.2 Barogeneza DVT (GUT)

Wielkie Teorie Unifikacji (GUT) dążą do połączenia oddziaływań silnych, słabą i elektromagnetyczną oddziaływanie w warunkach bardzo wysokiej energii (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai a Higso bozonai mogą pośredniczyć w rozpadzie protonu lub innych procesy naruszające liczbę barionów. Jeśli te procesy zachodzą poza równowagą termiczną, w środowisku wczesnego Wszechświata, zasadniczo mogą generować asymetrię barionową. Jednak konieczne jest, aby naruszenie CP w tych scenariuszach DWT było wystarczająco duże, a rozpad protonu, który przewiduje DWT, nie został jak dotąd potwierdzony eksperymentalnie wykryte z takimi częstotliwościami, jak oczekiwano. To ogranicza prostsze DWT modele barogenezy.

5.3 Leptogeneza

Leptogeneza zaczyna się od asymetrii leptonów i antyleptonów. Ta leptonowa asymetria później przez procesy sferalonowe oddziaływań elektrosłabych w trakcie okresu częściowo przekształcana w asymetrię barionową, ponieważ te procesy mogą leptony w baryony. Jeden z popularnych mechanizmów:

  1. Mechanizm „Seesaw”: Wprowadzane są ciężkie neutrina prawoskrętne neutrina (lub inne ciężkie leptony).
  2. Te ciężkie neutrina mogą rozpadać się przez naruszenie CP, tworząc sektor leptonowy asymetrię.
  3. Część oddziaływań sferalonów przekształca tę leptonową asymetrię w asymetrię barionową asymetria.

Leptogeneza jest atrakcyjna, ponieważ łączy pochodzenie mas neutrin (obserwowalne oscylacje neutrinowe) z nierównowagą materii i antymaterii kosmicznej. Ponadto niektóre ograniczające czynniki, które utrudniają elektrosłabej bariogenezy, dlatego często wymienia się ją jako jeden z głównych składniki złożonych teorii nowej fizyki.

6. Przeprowadzane eksperymenty i kierunki na przyszłość

6.1 Akceleratory wysokich energii

Takie akceleratory jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) – szczególnie eksperyment LHCb – mogą być wrażliwe na naruszenie CP w rozpadach różnych mezonów (B, D i innych). Mierząc skalę naruszenia CP i porównując je z przewidywaniami Standardowego Modelu, naukowcy mają nadzieję znaleźć niezgodności, które mogłyby wskazywać na nową fizykę poza Standardowym Modelem.

  • LHCb: Specjalizuje się w precyzyjnych pomiarach rzadkich rozpadów i naruszeń CP w badaniach sektora b-kwarków.
  • Belle II (KEK w Japonii) oraz już zakończony BaBar (SLAC) również badał naruszenie CP w mezonach B w systemach.

6.2 Eksperymenty neutrinowe

Eksperymenty nowej generacji dotyczące oscylacji neutrin, takie jak DUNE (Głęboki podziemny eksperyment neutrinowy) w USA oraz Hyper-Kamiokande w Japonii dąży do bardzo precyzyjnego pomiaru Faza naruszenia CP w macierzy PMNS. Gdyby neutrina wykazywały wyraźne naruszenie CP, to jeszcze bardziej wspierałoby leptogenezę jako przyczynę dysproporcji materii i antymaterii rozwiązania, hipotezę.

6.3 Poszukiwanie rozpadu protonów

Jeśli scenariusze barogenezy GUT są prawidłowe, rozpad protonu mógłby być ważne źródło wskazówek. Eksperymenty takie jak Super-Kamiokande (a w przyszłości Hyper-Kamiokande) ściśle określa granice czasu życia protonu dla różnych kanałów rozpadu. Jakiekolwiek odkrycie rozpadu protonu byłoby niezwykle ważne, ponieważ dostarczyłoby poważnych wskazówek o naruszeniu liczby barionowej na wysokim poziomie energii.

6.4 Poszukiwanie aksjonów

Chociaż aksjony (hipotetyczne cząstki związane z problemem silnego CP rozwiązaniem) nie są bezpośrednio związane z barogenezę w zwykłym sensie, ale także mogłyby odgrywać pewną rolę w termicznej historii wczesnego Wszechświata i mogą powodować możliwe disproporcje materii i antymaterii. Dlatego poszukiwania aksjonów pozostaje ważną częścią rozwiązania ogólnej zagadki Wszechświata.

Wniosek

Kosmiczna dominacja materii nad antymaterią pozostaje jednym z głównych otwartych pytań fizycznych. Model standardowy przewiduje pewne naruszenie CP, jednak niewystarczający, aby wyjaśnić obserwowany stopień asymetrii. Ta rozbieżność wymóg rodo nowej fizyki – lub wyższej energii (np. na skalę DVT), lub wprowadzając dodatkowe cząstki i oddziaływania, które jeszcze nie znaleźliśmy.

Chociaż elektrosłaba barogeneza, DVT barogeneza i leptogeneza są możliwe mechanizmy, konieczna jest dalsza analiza eksperymentalna i teoretyczna. Wysokoprecyzyjne eksperymenty w fizyce akceleratorów, badania oscylacji neutrin i rzadkich rozpadów badania oraz obserwacje astrofizyczne nadal testują te teorie. Odpowiedź na kwestię, dlaczego materia zwyciężyła nad antymaterią, może nie tylko poszerzyć nasze zrozumienie pochodzenia Wszechświata, ale także ujawnienie zupełnie nowych aspektów naszej rzeczywistości aspekty.

Zalecane źródła i dalsza lektura

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Dowody na Rozpad 2π K20 Mezon.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Odnośnik]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Łamanie inwariancji CP, asymetria C, i asymetria barionowa Wszechświata.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Kompleksowe dane i źródło przeglądowe o właściwościach cząstek, naruszeniu CP i fizyce poza poza granicami Modelu Standardowego.
  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. – Klasyczna książka o procesy kosmologiczne, w tym barogenezę.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Szczegółowo omawia inflację, syntezę jądrową i barogenezy.

Te prace dostarczają głębszego teoretycznego i eksperymentalnego kontekstu dotyczącego naruszenia CP, naruszenie liczby barionów oraz możliwe asymetrie materii-antymaterii we Wszechświecie mechanizmy. W miarę wzrostu ilości nowych danych eksperymentalnych zbliżamy się do odpowiedzi į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, o ne nic?

Wróć na blog