Medžiaga prieš antimateriją

Material împotriva antimateriei

Materie vs. Antimaterie: dezechilibrul care a permis materiei să domine

Una dintre cele mai profunde enigme ale fizicii și cosmologiei moderne este de ce universul nostru Universul este compus aproape în întregime din materie, iar antimateria este foarte puțină. Conform înțelegerii actuale, materia și antimateria ar fi trebuit să fie formate în cantități aproape egale în primele momente după Marea explozie, deci ar fi trebuit să se anihileze complet – dar acest lucru nu s-a întâmplat. Un mic excesul de materie (aproximativ o parte dintr-un miliard) a rămas și a format galaxii, stele, planete și în cele din urmă viața așa cum o cunoaștem. Această evidentă asimetria materie-antimaterie este adesea denumită asimetria barionică a Universului și este strâns legată de fenomene numite încălcarea KP (engl. CP) și barigeneză.

În acest articol vom discuta:

  1. O scurtă perspectivă istorică asupra descoperirii antimateriei.
  2. Natura dezechilibrului dintre materie și antimaterie.
  3. Simetria KP (sarcină și paritate) și încălcarea acesteia.
  4. Condițiile Saharov pentru barigeneză.
  5. Ipoteze propuse privind formarea asimetriei materie-antimaterie (de ex., barioneza electroslabă, leptogeneză).
  6. Experimente în curs și direcții viitoare.

La finalul articolului veți avea o înțelegere generală a motivului pentru care, după părerea noastră, în Univers există mai multă materie decât antimaterie și veți afla cum încearcă știința a determina mecanismul exact care cauzează acest dezechilibru cosmic.

1. Context istoric: descoperirea antimateriei

Conceptul de antimaterie a fost prezis teoretic pentru prima dată de fizicianul englez Paul Dirac a formulat în 1928 un set de ecuații (ecuația Dirac), descriind electroni care se mișcă relativist. Această ecuație a permis neașteptat găsirea soluții corespunzătoare particulelor cu energie pozitivă și energie negativă. Soluțiile cu „energie negativă” au fost ulterior interpretate ca particule având aceeași masă ca electronul, dar cu sarcină electrică de semn opus.

  1. Descoperirea pozitronului (1932): În 1932, fizicianul american Carl Anderson a confirmat experimental existența antimateriei existând prin detectarea pozitronului (antiparticula electronului) în razele cosmice lăsate în urma sa.
  2. Antiprotonul și antineutronul: Antiprotonul a fost descoperit în 1955 Emilio Segrè și Owen Chamberlain, iar antineutronul a fost descoperit în 1956.

Aceste descoperiri au întărit ideea că pentru fiecare tip de particulă din Modelul Standard există o antiparticulă cu numere cuantice opuse (de ex., sarcina electrică, numărul barionic), dar aceeași masă și spinuri.

2. Natura dezechilibrului dintre materie și antimaterie

2.1 Formarea uniformă în Universul timpuriu

În timpul Big Bang-ului, Universul era extrem de fierbinte și dens, astfel energia nivelul era suficient de ridicat pentru a forma particule de materie și antimaterie pereche. Conform înțelegerii obișnuite, în medie pentru fiecare materie creată pentru fiecare particulă trebuia creată o antiparticulă corespunzătoare. Pe măsură ce Universul se extindea și răcind, aceste particule și antiparticule trebuiau să se anihileze aproape complet, transformând masa în energie (de obicei în fotoni gama).

2.2 Materia rămasă

Totuși, observațiile arată că Universul este compus în mare parte din materie. Pură disproporția este mică, însă tocmai ea a fost decisivă. Acest raport poate fi evaluat cantitativ, privind densitatea barionilor (materiei) și densitatea fotonilor Raportul vizat, adesea notat η = (nB - n̄B) / nγ. Fondul cosmic de microunde (KMF) – obținut din misiuni precum COBE, WMAP și Planck – date arată:

η ≈ 6 × 10−10.

Aceasta înseamnă că la un miliard de fotoni rămași după Big Bang, revine aproximativ un proton (sau neutron) – dar cel mai important este că acel unul barionul a depășit antibarionul său corespunzător. Se ridică întrebarea: cum a apărut această mică, dar esențială asimetrie?

3. Simetria KP și încălcarea ei

3.1 Simetria în fizică

În fizica particulelor, K (conjugarea sarcinii) simetria înseamnă particule și schimbarea antiparticulelor lor. P (paritatea) simetria înseamnă o reflexie spațială reflecția inversă (schimbarea semnului coordonatelor spațiale). Dacă o lege fizică rămâne neschimbat sub transformările K și P (adică „dacă imaginea rămâne este aceeași atunci când particulele sunt înlocuite cu antiparticule, iar stânga și dreapta sunt inversate în anumite locuri"), spunem că se respectă simetria KP.

3.2 Descoperirea timpurie a încălcării KP

Inițial s-a crezut că simetria KP ar putea fi o proprietate fundamentală a naturii, mai ales după în anii 1950 a fost descoperită doar încălcarea parității (P). Totuși, în 1964 James Cronin și Val Fitch au descoperit că kaoni neutrinici (K0) în dezintegrare încalcă simetria CP (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Acest rezultat revoluționar a arătat că chiar și CP uneori poate fi încălcată în anumite procese ale interacțiunii slabe.

3.3 Încălcarea CP în Modelul Standard

În Modelul Standard al fizicii particulelor, încălcarea CP poate proveni din faze În matricea Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM), care descrie cum cuarcuri de „gusturi” diferite trec unul în altul sub influența interacțiunii slabe. Ulterior, în fizica neutrinilor, a apărut un alt termen al matricei de amestec – Matricea Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS), care poate de asemenea trebuie să existe faze care să încalce CP. Totuși, până acum gradul observat de încălcare a CP în aceste în sectoare este prea mică pentru a explica barionul Universului asimetrie. Prin urmare, se crede că există surse suplimentare de încălcare a CP dincolo de limitele Modelului Standard.

4. Condițiile Saharov pentru barogeneză

În 1967, fizicianul rus Andrei Saharov a formulat trei condiții necesare pentru ca în Universul timpuriu să poată apărea materie și asimetria antimateriei (Saharov, 1967 [2]):

  1. Încălcarea numărului barionic: Trebuie să aibă loc o interacțiune sau procese care schimbă numărul barionic net B. Dacă numărul barionic este strict este păstrată, asimetria barionilor și antibarionilor nu poate apărea.
  2. Încălcarea K și CP: Procesele care diferențiază materia și antimaterie, sunt necesare. Dacă K și CP ar fi simetrii perfecte, orice proces care creează mai mulți barioni decât antibarioni ar trebui să aibă o corespondență în oglindă, care s-au creat la fel de mulți antibarioni, „anulând" orice exces.
  3. Abaterea de la echilibrul termic: În echilibrul termic procesele de creare și anihilare a particulelor au loc în ambele direcții în mod egal, astfel echilibrul este păstrat. Un mediu echilibrat termic, de exemplu, Universul în expansiune rapidă și răcire permite anumitor procese „fixeze" asimetria.

Fiecare teorie sau mecanism de barogeneză de succes trebuie să îndeplinească aceste trei condiții pentru a explica dezechilibrul observat între materie și antimaterie.

5. Mecanisme propuse pentru formarea asimetriei materie-antimaterie

5.1 Barogeneză electroslabă

Barogeneză electroslabă afirmă că asimetria barionică s-a format aproximativ în aceeași perioadă cu faza de tranziție electroslabă (~10−11 sec. după Big Bang). Aspecte principale:

  • Câmpul Higgs dobândește o valoare de vid neliniară și astfel rupe spontan simetria electroslabă.
  • Procesele neperturbative, numite sferaloni, pot încălca numărul total de barioni și leptoni (B+L), dar să păstreze numărul de barioni și leptoni diferența (B−L).
  • Tranziția de fază, dacă ar fi de ordinul I (adică caracterizată prin formarea de bule), ar crea deviația necesară de la echilibrul termic.
  • procesele de interacțiune care încalcă CP în sectorul Higgs sau în amestecul quarcurilor ar contribui la dezechilibrul dintre materie și antimaterie apărut în bule.

Din păcate, în intervalul actual al parametrilor Modelului Standard (în special la masa de 125 GeV pentru descoperirea bosonului Higgs) este puțin probabil ca faza de tranziție electroslabă a fost de ordinul I. În plus, încălcarea CP oferită de matricea CKM este prea mică. Prin urmare, mulți teoreticienii propun o fizică dincolo de Modelul Standard – de exemplu, câmpuri scalare suplimentare – pentru ca barioneza electroslabă să devină mai realistă.

5.2 Barioneza DVT (GUT)

Teoriile Marii Unificări (GUT) urmăresc să unească interacțiunea tare, interacțiunea slabă și electromagnetică în condiții de energie foarte înaltă (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai ar Higso bozonai pot media descompunerea protonului sau alte procese care încalcă numărul barionic. Dacă aceste procese au loc în afara echilibrului termic în mediul timpuriu al Universului, ele pot genera în mod esențial asimetrie barionică. Totuși, este necesar ca încălcarea CP în aceste scenarii DVT să fie suficient de mare, iar descompunerea protonului, prezisă de DVT, nu a fost încă observată experimental detectați la frecvențele așteptate. Aceasta limitează modelele DVT mai simple modele de barogeneză.

5.3 Leptogeneză

Leptogeneza începe cu asimetria dintre leptoni și antileptoni. Această asimetrie leptonică este ulterior transferată prin procese sferalon la interacțiunea electroslabă în timpul perioadei este parțial transformată în asimetrie barionică, deoarece aceste procese pot pentru a converti leptoni în barioni. Un mecanism popular este:

  1. Mecanismul „Seesaw”: Se introduc neutrini grei cu spin drept neutrini (sau alți leptoni grei).
  2. Acești neutrini grei pot decădea prin încălcarea CP, creând un sector leptonic asimetrie barionică.
  3. Partea de interacțiune a sferalonilor transformă această asimetrie leptonică în asimetrie.

Leptogeneza este atractivă deoarece leagă originea maselor neutrino (observabilă în oscilațiile neutrino) cu dezechilibrul materiei și antimateriei cosmice. În plus, nu prezintă anumiți factori limitativi care împiedică pentru bariogeneza electroslabă, motiv pentru care este adesea menționată ca una dintre principalele componente ale teoriilor fizicii noi.

6. Experimente în desfășurare și direcții viitoare

6.1 Acceleratoare de înaltă energie

Acceleratoare precum Large Hadron Collider (LHC) – în special experimentul LHCb – pot fi sensibili la încălcarea CP în decăderile diferiților mezoni (B, D etc.). Măsurând amploarea încălcării CP și comparându-l cu predicțiile Modelului Standard, oamenii de știință speră să găsească a discrepanțelor care ar putea indica fizică nouă dincolo de Modelul Standard.

  • LHCb: Se specializează în măsurători precise ale decăderilor rare și încălcărilor CP în studiile sectorului cu quarci b.
  • Belle II (KEK Japonia) și experimentul deja finalizat BaBar (SLAC) a investigat de asemenea încălcarea CP în mezonii B în sisteme.

6.2 Experimente cu neutrini

Experimentele de nouă generație pentru oscilațiile neutrino, cum ar fi DUNE (Experimentul subteran profund pentru neutrini) în SUA și Hyper-Kamiokande din Japonia, urmărește să măsoare cu mare precizie Faza de încălcare CP în matricea PMNS. Dacă neutrinii ar arăta o încălcare CP semnificativă, ar susține și mai mult leptogeneza ca mecanism pentru dezechilibrul materie-antimaterie deciziei, ipoteza.

6.3 Căutarea dezintegrației protonilor

Dacă scenariile GUT pentru barioneză sunt corecte, dezintegrarea protonului ar putea fi o sursă importantă de indicii. Experimente precum Super-Kamiokande (și în viitor Hyper-Kamiokande) stabilește strict limitele duratei de viață a protonului pentru diferite canale de dezintegrare. Orice descoperire a dezintegrației protonului ar fi extrem de importantă, deoarece ar oferi indicii serioase despre încălcarea numărului de barioni la niveluri de energie înalte.

6.4 Căutarea axionilor

Deși axionii (particule ipotetice legate de problema puternică KP) deciziei) nu sunt direct legate de barioneză în sensul obișnuit, ele de asemenea ar putea juca un anumit rol în istoria termică timpurie a Universului și potențial disproporții între materie și antimaterie. Prin urmare, căutarea axionilor rămâne o parte importantă în rezolvarea puzzle-ului general al Universului.

Concluzie

Dominanța cosmică a materiei față de antimaterie rămâne una dintre principalele întrebărilor deschise din fizică. Modelul standard prevede o anumită încălcare a KP, totuși insuficientă pentru a explica amploarea asimetriei observate. Această discrepanță necesitatea unei noi fizici – sau a unei energii mai înalte (de exemplu, la scară DVT), sau prin introducerea unor particule și interacțiuni suplimentare, încă nu a fost descoperită.

Deși barioneza electroslabă, Barioneza DVT și leptogeneza sunt posibile mecanisme, este necesară o analiză experimentală și teoretică suplimentară. Măsurători de înaltă precizie experimente în fizica acceleratoarelor, studii ale oscilațiilor neutrino și decăderi rare studiile și observațiile astrofizice continuă să testeze aceste teorii. Răspunsul la întrebarea de ce materia a câștigat în fața antimateriei poate nu doar să extindă înțelegerea originii Universului, dar și să dezvăluie aspecte complet noi ale realității noastre aspecte.

Surse recomandate și lecturi suplimentare

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Dovezi pentru Decăderea 2π a K20 Mezon.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Nuoroda]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Încălcarea invariabilității CP, Asimetria C, și Asimetria Barionilor din Univers.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Date detaliate și sursă de recenzii despre proprietățile particulelor, încălcarea CP și fizica dincolo de limitele modelului standard.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Progrese recente în Barionezei.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “Originea Asimetria Materie-Antimaterie.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – O carte clasică despre procese cosmologice, inclusiv barioneza.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Analizează în detaliu inflația, sinteza nucleară și barioneza.

Aceste lucrări oferă un context teoretic și experimental mai profund despre încălcarea CP, încălcarea numărului de barioni și posibila asimetrie materie-antimaterie a Universului mecanisme. Pe măsură ce cantitatea de date experimentale noi crește, ne apropiem de răspuns į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, cine sau este nimeni?

Reveniți la blog