Medžiaga prieš antimateriją

Matéria contra antimatéria

Matéria vs. Antimatéria: o desequilíbrio que permitiu a matéria dominar

Um dos maiores mistérios da física e cosmologia modernas é por que o nosso O Universo é composto quase inteiramente por matéria, e há muito pouca antimatéria nele. Com base no entendimento atual, a matéria e a antimatéria deveriam ter sido formadas em quantidades quase iguais nos momentos mais iniciais após o Grande explosão, pelo que deveriam ter-se aniquilado completamente – mas isso não aconteceu. Um pequeno excesso de matéria (cerca de uma parte em mil milhões) permaneceu e formou galáxias, estrelas, planetas e, finalmente, a vida como a conhecemos. Este evidente a assimetria entre matéria e antimatéria é frequentemente designada o termo assimetria bariônica do Universo e intimamente ligado a fenómenos chamados violação KP (ingl. CP) e bariogénese.

Neste artigo discutiremos:

  1. Uma breve perspetiva histórica da descoberta da antimatéria.
  2. A natureza do desequilíbrio entre matéria e antimatéria.
  3. Simetria KP (carga e paridade) e a sua violação.
  4. Condições de Sacharov para a bariogénese.
  5. Hipóteses propostas para a formação da assimetria entre matéria e antimatéria (por exemplo, bariogénese eletrofraca, leptogénese).
  6. Experiências em curso e direções futuras.

No final do artigo terá uma compreensão geral de por que, na nossa opinião, existe mais matéria do que antimatéria, e saberá como a ciência tenta determinar o mecanismo exato que causa este desequilíbrio cósmico.

1. Contexto histórico: a descoberta da antimatéria

A conceção da antimatéria foi prevista teoricamente pela primeira vez pelo físico inglês Paul Dirac em 1928. Dirac formulou um conjunto de equações (equação de Dirac), que descreve eletrões em movimento relativístico. Esta equação inesperadamente permitiu encontrar soluções correspondentes a partículas com energia positiva e energia negativa. As soluções de “energia negativa” foram posteriormente interpretadas como partículas que possuem tem a mesma massa que o eletrão, mas com carga elétrica de sinal oposto.

  1. Descoberta do positrão (1932): Em 1932, o físico americano Carl Anderson confirmou experimentalmente a antimatéria existência ao detectar o positrão (antipartícula do eletrão) nos raios cósmicos deixados nas pegadas.
  2. Antipróton e antineutrão: O antipróton foi descoberto em 1955 Emilio Segrè e Owen Chamberlain, e o antineutrão foi descoberto em 1956.

Estas descobertas reforçaram a ideia de que para cada tipo de partícula do Modelo Padrão existe uma antipartícula com números quânticos opostos (por exemplo, carga elétrica, número bariônico), mas a mesma massa e giros.

2. A natureza do desequilíbrio entre matéria e antimatéria

2.1 Formação uniforme no início do Universo

Durante o Big Bang, o Universo era extremamente quente e denso, pelo que a energia o nível era suficientemente alto para formar partículas de matéria e antimatéria par. Segundo a compreensão habitual, em média, para cada matéria formada para cada partícula deveria ser criada a antipartícula correspondente. À medida que o Universo se expandia e ao arrefecer, estas partículas e antipartículas deveriam ter-se aniquilado quase completamente, convertendo massa em energia (geralmente em fotões de raios gama).

2.2 Matéria remanescente

No entanto, as observações mostram que o Universo é composto principalmente por matéria. O saldo líquido a disparidade é pequena, mas foi precisamente essa que foi decisiva. Esta relação pode ser avaliar quantitativamente, olhando para a densidade de bariões (matéria) e a densidade de fotões Considerando a relação, frequentemente designada η = (nB - n̄B) / nγ. do Fundo Cósmico de Micro-ondas (FCM) – obtidos a partir de missões como os dados do COBE, WMAP e Planck mostra:

η ≈ 6 × 10−10.

Isto significa que, por cada mil milhões de fotões remanescentes após o Big Bang, há aproximadamente um protão (ou neutrão) – mas o mais importante é que esse único o barião superou o seu antibarião correspondente. Surge a questão: como surgiu esta pequena, mas essencial assimetria?

3. Simetria CP e a sua violação

3.1 Simetria na física

Na física de partículas, a simetria K (conjugação de carga) significa a troca de partículas e a troca das suas antipartículas. A simetria P (paridade) significa uma inversão espacial reflexão inversa (alterar o sinal das coordenadas espaciais). Se uma lei física permanece inalterado sob as transformações K e P (ou seja, “se a imagem permanece é o mesmo quando as partículas são trocadas pelas antipartículas, e a esquerda e a direita são invertidas em alguns locais”), dizemos que a simetria CP é mantida.

3.2 Descoberta precoce da violação da simetria CP

Inicialmente pensava-se que a simetria CP poderia ser uma propriedade fundamental da natureza, especialmente após e, nos anos 1950, foi descoberta apenas a violação da paridade (P). No entanto, em 1964, James Cronin e Val Fitch descobriram que kaões neutrinos (K0) na desintegração viola a simetria CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Este resultado revolucionário mostrou que mesmo a simetria CP pode por vezes ser violada em certos processos da interação fraca.

3.3 Violação de CP no Modelo Padrão

No modelo padrão da física de partículas, a violação de CP pode originar-se de fases na matriz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), que descreve como quarks de diferentes “sabores” transformam-se uns nos outros sob a ação da interação fraca. Mais tarde, na física dos neutrinos, surgiu outro termo na matriz de mistura – matriz Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS), que também pode deverão existir fases que violem CP. Contudo, até agora, a magnitude da violação de CP observada nestes nos setores é demasiado baixa para explicar a assimetria bariônica do Universo assimetria. Por isso, acredita-se que existam fontes adicionais de violação de CP para além do Modelo Padrão.

4. Condições de Sacharov para a bariogênese

Em 1967, o físico russo Andrei Sacharov formulou três condições necessárias para que matéria e antimatéria possam surgir no Universo primitivo assimetria da antimatéria (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Violação do número bariônico: Deve ocorrer uma interação ou processos que alteram o número bariônico líquido B. Se o número bariônico for estritamente é mantida, a assimetria entre bariões e antibariões não pode ser gerada.
  2. Violação de K e CP: Processos que distinguem matéria e antimatéria, são necessários. Se K e CP fossem simetrias perfeitas, qualquer processo que cria mais bariões do que antibariões deve ter um correspondente espelhado que tanto antibariões, “anulando” assim qualquer excesso.
  3. Desvio do equilíbrio térmico: No equilíbrio térmico os processos de criação e aniquilação de partículas ocorrem igualmente em ambas as direções, portanto o equilíbrio é mantido. Um ambiente termicamente equilibrado, por exemplo, Universo em rápida expansão e arrefecimento permite que certos processos “fixar” a assimetria.

Cada teoria ou mecanismo de barigénese bem-sucedido deve cumprir estes três condições para explicar o desequilíbrio observado entre matéria e antimatéria.

5. Mecanismos propostos para a formação da assimetria matéria-antimatéria

5.1 Barigénese eletrofraca

Barigénese eletrofraca afirma que a assimetria bariônica formou-se aproximadamente na altura em que ocorreu a fase de transição eletrofraca (~10−11 segundos após o Big Bang). Aspectos principais:

  • O campo de Higgs adquire um valor de vácuo não nulo e assim quebra espontaneamente a simetria eletrofraca.
  • Processos não perturbativos, chamados esferóns, podem violar o número total de bariões e léptons (B+L), mas preservar os números de bariões e léptons diferença (B−L).
  • A transição de fase, se fosse de primeira ordem (ou seja, caracterizada pela formação de bolhas), criariam a desvio necessário do equilíbrio térmico.
  • processos de interação que violam CP no setor de Higgs ou durante a mistura de quarks contribuísse para o desequilíbrio entre matéria e antimatéria que surge nas bolhas.

Infelizmente, no intervalo atual dos parâmetros do Modelo Padrão (especialmente para uma massa de 125 GeV para a descoberta do bóson de Higgs) é pouco provável que a fase de transição eletrofraca foi de primeira ordem. Além disso, a violação de CP fornecida pela matriz CKM é demasiado pequena. Por isso, muitos os teóricos propõem uma física para além do Modelo Padrão – por exemplo, campos escalares adicionais – para que a barigénese eletrofraca se torne mais realista.

5.2 Barigénese DVT (GUT)

As Grandes Teorias de Unificação (GUT) procuram unificar a interação forte, a interação fraca e eletromagnética em condições de energia muito alta (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai ar Higso bozonai podem mediar a decomposição do protão ou outros processos que violam o número de bárions. Se estes processos ocorrerem fora do equilíbrio térmico no ambiente do Universo primordial, eles podem essencialmente gerar assimetria bariónica. No entanto, é necessário que a violação de CP nestes cenários de GUT seja suficientemente grande, mas a decomposição do protão prevista pelas GUT ainda não foi observada experimentalmente detectados em frequências esperadas. Isto limita os modelos mais simples de GUT modelos de barigénese.

5.3 Leptogénese

Leptogénese começa com a assimetria entre léptons e antiléptons. Esta assimetria leptónica é posteriormente convertida em assimetria bariónica através de processos de esferalões do eletrofraco durante o período é parcialmente convertido em assimetria bariónica, pois estes processos podem léptons em bárions. Um mecanismo popular:

  1. Mecanismo “Seesaw”: São introduzidos léptons pesados de helicidade direita neutrinos (ou outros léptons pesados).
  2. Estes neutrinos pesados podem decair através da violação de CP, criando um setor leptónico assimetria.
  3. Parte da interação dos esferalões transforma esta assimetria leptónica em assimetria bariónica. assimetria.

A leptogénese é atraente porque liga a origem das massas dos neutrinos (observável em oscilações de neutrinos) com o desequilíbrio de matéria e antimatéria cósmica. Além disso, não apresenta alguns fatores limitantes que dificultam para a bariogênese eletrofraca, por isso é frequentemente mencionada como uma das principais componentes das teorias de nova física.

6. Experimentos em curso e direções futuras

6.1 Aceleradores de alta energia

Aceleradores como o Grande Colisor de Hádrons (LHC) – especialmente o experimento LHCb – podem ser sensíveis à violação de CP em decaimentos de vários mésons (B, D, etc.). Medindo a extensão da violação de CP e comparando-o com as previsões do Modelo Padrão, os cientistas esperam encontrar de discrepâncias que poderiam indicar nova física além do Modelo Padrão.

  • LHCb: Especializa-se em medições precisas de decaimentos raros e violação de CP em estudos no setor do quark b.
  • Belle II (KEK no Japão) e o já concluído BaBar (SLAC) também investigou a violação de CP em mésons B em sistemas.

6.2 Experimentos com neutrinos

Experimentos de oscilação de neutrinos de nova geração, como DUNE (Experimento subterrâneo profundo de neutrinos) nos EUA e Hyper-Kamiokande no Japão, visa medir com alta precisão Fase da violação de CP na matriz PMNS. Se os neutrinos mostrassem uma violação de CP significativa, isso apoiaria ainda mais a leptogénese como causa do desequilíbrio entre matéria e antimatéria da solução, a hipótese.

6.3 Procura de decaimento de protões

Se os cenários de bariogénese GUT estiverem corretos, o decaimento do protão poderia ser uma fonte importante de pistas. Experiências como Super-Kamiokande (e futuramente Hyper-Kamiokande) define rigorosamente os limites da vida útil do protão para diferentes canais de decaimento. Qualquer descoberta de decaimento do protão seria extremamente importante, pois forneceria pistas sérias sobre a violação do número bariônico a altas energias.

6.4 Procura de axions

Embora os axions (partículas hipotéticas relacionadas com o problema forte da CP a solução) não estão diretamente relacionadas com a bariogénese no sentido habitual, também poderia desempenhar um papel na história térmica do Universo primordial e determinar possíveis desproporções entre matéria e antimatéria. Por isso, a procura de axions continua a ser uma parte importante na resolução do quebra-cabeças geral do Universo.

Conclusão

O domínio da matéria cósmica sobre a antimatéria continua a ser uma das principais questões em aberto na física. O modelo padrão prevê certa violação da KP, no entanto insuficiente para explicar a magnitude da assimetria observada. Esta discrepância rodo necessidade de uma nova física – ou de energias mais elevadas (por exemplo, à escala DVT), ou introduzindo partículas e interações adicionais que ainda não foram não foi descoberta.

Embora a barigénese eletrofraca, Barigénese DVT e leptogénese são possíveis mecanismos, é necessária uma análise experimental e teórica adicional. Medições de alta precisão experiências em física de aceleradores, estudos de oscilações de neutrinos e decaimentos raros investigações e observações astrofísicas continuam a testar estas teorias. A resposta à questão de por que a matéria venceu a antimatéria pode não só expandir a nossa compreensão da origem do Universo, mas também revelar novas realidades da nossa aspectos.

Fontes recomendadas e leitura adicional

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Evidência para a Decaimento 2π do K20 Méson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Nuoroda]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Violação da Invariância CP, Assimetria C, e Assimetria Bariônica do Universo.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Dados completos e fonte de revisão sobre propriedades das partículas, violação de CP e física para além de Limites do modelo padrão.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Progresso Recente em Bariogénese.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “A Origem da Assimetria Matéria-Antimatéria.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). O Universo Primordial. Addison-Wesley. – Livro clássico sobre processos cosmológicos, incluindo a bariogénese.
  7. Mukhanov, V. (2005). Fundamentos Físicos da Cosmologia. Cambridge University Press. – Analisa detalhadamente a inflação, a síntese nuclear e bariogénese.

Estes trabalhos fornecem um contexto teórico e experimental mais profundo sobre a violação de CP, violação do número de bariões e possíveis assimetrias matéria-antimatéria no Universo mecanismos. Com o aumento da quantidade de novos dados experimentais, aproximamo-nos da resposta į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, ou ninguém?

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