Medžiaga prieš antimateriją

Материя против антиматерии

Материя против Антиматерии: дисбаланс, позволивший материи доминировать

Одна из глубочайших загадок современной физики и космологии — почему наша Вселенная состоит почти полностью из материи, а антиматерии в ней очень мало. Согласно современному пониманию, материя и антиматерия должны были быть образовавшиеся почти в равных количествах в самые ранние мгновения после Большого взрыва, поэтому они должны были полностью аннигилировать — но этого не произошло. Небольшой избыток материи (примерно одна часть на миллиард) сохранился и сформировал галактики, звёзды, планеты и, в конечном итоге, жизнь, какую мы знаем. Это очевидное асимметрия материи и антиматерии часто называется термином асимметрии барионной Вселенной, тесно связанным с явления, называемые нарушением KP (англ. CP) и баригенез.

В этой статье мы обсудим:

  1. Краткий исторический обзор перспектив открытия антиматерии.
  2. Природа дисбаланса материи и антиматерии.
  3. Симметрия KP (заряда и паритета) и её нарушение.
  4. Условия Сахарова для баригенеза.
  5. Предложены гипотезы образования асимметрии материи и антиматерии (например, электрослабая баригенез, лептогенез).
  6. Проводимые эксперименты и направления на будущее.

В конце статьи у вас будет общее понимание того, почему, по нашему мнению, во Вселенной больше вещества, чем антивещества, и узнаете, как наука пытается установить точный механизм, определяющий этот космический дисбаланс.

1. Исторический контекст: открытие антивещества

Концепцию антивещества впервые теоретически предсказал английский физик Пол Дирак в 1928 г. составил набор уравнений (уравнение Дирака), описывающую релятивистски движущиеся электроны. Это уравнение неожиданно позволило найти решения, соответствующие частицам с положительной и отрицательной энергией. Решения с «отрицательной энергией» позже были интерпретированы как частицы, обладающие имеет такую же массу, как электрон, но с электрическим зарядом противоположного знака.

  1. Открытие позитрона (1932 г.): в 1932 г. американский физик Карл Андерсон экспериментально подтвердил существование антивещества существование, обнаруживая позитрон (античастицу электрона) в космических лучах оставленных следах.
  2. Антипротон и антинейтрон: антипротон был открыт в 1955 г. Эмилио Сегре и Оуэн Чемберлен, а антинейтрон был обнаружен в 1956 г.

Эти открытия укрепили мысль о том, что для каждого типа частицы Стандартной модели существует античастица, обладающая противоположными квантовыми числами (например, электрическим зарядом, барионное число), но ту же массу и спины.

2. Природа дисбаланса материи и антиматерии

2.1 Равномерное образование в ранней Вселенной

Во время Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей и плотной, поэтому энергия уровень был достаточно высок, чтобы образовались частицы материи и антиматерии пары. Согласно общему пониманию, в среднем для каждой образовавшейся частицы материи для каждой частицы должна была создаваться соответствующая античастица. По мере расширения Вселенной и охлаждаясь, эти частицы и античастицы должны были почти полностью аннигилировать, превращая массу в энергию (чаще всего в гамма-лучи).

2.2 Остаточная материя

Тем не менее наблюдения показывают, что Вселенная в основном состоит из материи. Чистая диспропорция невелика, однако именно она была решающей. Это отношение можно количественно оценить, рассматривая плотность барионов (материи) и плотность фотонов Отношение во Вселенной, часто обозначаемое η = (nB - n̄B) / nγ. Космического микроволнового фона (КМФ) — полученные из таких миссий, как COBE, WMAP и Planck — данные показывает:

η ≈ 6 × 10−10.

Это означает, что на миллиард фотонов, оставшихся после Большого взрыва, приходится примерно один протон (или нейтрон) — но главное, что этот один барион превзошёл свой соответствующий антибарион. Возникает вопрос: как возникла эта маленькая, но существенная асимметрия?

3. Симметрия КП и её нарушение

3.1 Симметрия в физике

В физике частиц K (конъюгация заряда) симметрия означает частицы и их обмен античастицами. P (паритетная) симметрия означает пространственную инверсное отражение (изменение знака пространственных координат). Если физический закон остается неизменным при выполнении как K, так и P преобразований (т.е. «если изображение остается одинаковый, когда частицы заменяются античастицами, а левая и правая стороны меняются местами местами"), говорят, что соблюдается симметрия КП.

3.2 Раннее открытие нарушения КП

Сначала считалось, что симметрия КП может быть фундаментальным свойством природы, особенно после и в 1950-х годах было обнаружено только нарушение паритета (P). Однако в 1964 году Джеймс Кронин и Вал Фитч установили, что нейтринные каоны (K0) при распаде нарушает симметрию CP (Кронин и Фитч, 1964 [1]). Этот революционный результат показал, что даже CP иногда может нарушаться в определённых процессах слабого взаимодействия.

3.3 Нарушение CP в Стандартной модели

В Стандартной модели физики частиц нарушение CP может возникать из фаз матрица Кабиббо-Кобаяси-Маскава (CKM), описывающая, как кварки разных «вкусов» переходят друг в друга под действием слабого взаимодействия. Позже, в физике нейтрино появился другой член матрицы смешивания – матрица Понтекорво–Маки–Накагава–Саката (PMNS), которая также может должны иметь фазы, нарушающие CP. Однако до сих пор наблюдаемая степень нарушения CP в этих в секторах слишком малы, чтобы объяснить барионную асимметрию. Поэтому считается, что существуют дополнительные источники нарушения CP за пределами Стандартной модели.

4. Условия Сахарова для бариогенеза

В 1967 г. русский физик Андрей Сахаров сформулировал три необходимые условия, чтобы в ранней Вселенной могла появиться материя и асимметрия антивещества (Сахаров, 1967 [2]):

  1. Нарушение барионного числа: Должно происходить взаимодействие или процессы, изменяющие чистое барионное число B. Если барионное число строго сохраняется, асимметрия барионов и антибарионов не может образоваться.
  2. Нарушение K и КП: Процессы, разделяющие материю и антиматерия, необходимы. Если бы K и КП были совершенной симметрией, любой процесс, создающий больше барионов, чем антибарионов, должен иметь зеркальное соответствие, которое создавалось столько же антибарионов, тем самым «аннулируя» любой избыток.
  3. Отклонение от термодинамического равновесия: В термодинамическом равновесии процессы создания и аннигиляции частиц происходят в обоих направлениях одинаково, поэтому сохраняется баланс. Нетермодинамически сбалансированная среда, например, быстро расширяющаяся и остывающая Вселенная, позволяет некоторым процессам «зафиксировать» асимметрию.

Каждая успешная теория или механизм барогенеза должны соответствовать этим трем условия, которые позволили бы объяснить наблюдаемый дисбаланс материи и антиматерии.

5. Предложенные механизмы формирования асимметрии материи и антиматерии

5.1 Электрослабая барогенез

Электрослабая барогенез утверждает, что барионная асимметрия образовалась примерно в то время, когда происходила электрослабая фазовая стадия перехода (~10−11 сек. после Большого взрыва). Основные аспекты:

  • Поле Хиггса приобретает нелинейное вакуумное значение и таким образом спонтанно нарушает электрослабую симметрию.
  • Непертурбативные процессы, называемые сфералонами, могут нарушать общее число барионов и лептонов (B+L), но сохранили бы барионное и лептонное разницу (B−L).
  • Фазовый переход, если бы он был первого порядка (т.е. с образованием пузырей), создали бы необходимое отклонение от термического равновесия.
  • процессы взаимодействия, нарушающие CP, в секторе Хиггса или при смешивании кварков способствовали бы дисбалансу материи и антиматерии, возникающему в пузырях.

К сожалению, в существующем диапазоне параметров Стандартной модели (особенно при массе 125 GeV открытию бозона Хиггса) маловероятно, что электрослабая фазовая переходная стадия был первого порядка. Кроме того, нарушение CP, обеспечиваемое матрицей CKM, слишком мало. Поэтому многие теоретики предлагают физику, существующую за пределами Стандартной модели – например, дополнительные скалярные поля – чтобы электрослабый барогенез стал более реалистична.

5.2 Барогенез DVT (GUT)

Теории великого объединения (GUT) стремятся объединить сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие при условиях очень высокой энергии (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos бозоны бозона Хиггса могут опосредовать распад протона или другие процессы, нарушающие число барионов. Если эти процессы происходят в нетермальном в ранней Вселенной они по сути могут генерировать барионную асимметрию. Однако необходимо, чтобы нарушение CP в этих сценариях GUT было достаточно большим, но экспериментально пока не удалось обнаружить распад протона, который предсказывают GUT обнаружены на ожидаемых частотах. Это ограничивает более простые GUT модели баригенеза.

5.3 Лептогенез

Лептогенез начинается с асимметрии лептонов и антилептонов. Эта лептонная асимметрия позже через процессы сфералонов электрослабого в течение периода частично преобразуется в барионную асимметрию, поскольку эти процессы могут лептоны для конвертации в барионы. Один из популярных механизмов:

  1. Механизм «Seesaw»: вводятся тяжёлые правые спиновые нейтрино (или другие тяжёлые лептоны).
  2. Эти тяжёлые нейтрино могут распадаться с нарушением CP, создавая лептонный сектор асимметрию.
  3. Часть взаимодействия сфералонов превращает эту лептонную асимметрию в барионную асимметрия.

Лептогенез привлекателен тем, что связывает происхождение масс нейтрино (наблюдаемое в нейтринных осцилляциях) с дисбалансом космического вещества и антивещества. Кроме того, ей не свойственны некоторые ограничивающие факторы, мешающие электрослабой бариогенезе, поэтому она часто упоминается как одна из основных составных частей теорий новой физики.

6. Выполняемые эксперименты и направления на будущее

6.1 Ускорители высоких энергий

Такие ускорители, как Большой адронный коллайдер (LHC) – особенно эксперимент LHCb – может быть чувствителен к нарушению CP в распадах различных мезонов (B, D и др.). Измеряя масштаб нарушения CP и сравнивая его с прогнозами Стандартной модели, учёные надеются найти несоответствий, которые могут указывать на новую физику за пределами Стандартной модели.

  • LHCb: Специализируется на точных измерениях редких распадов и нарушений CP, в исследованиях сектора b-кварков.
  • Belle II (KEK в Японии) и уже завершённый BaBar (SLAC) также изучал нарушение CP в B-мезонах в системах.

6.2 Нейтринные эксперименты

Эксперименты нового поколения по осцилляциям нейтрино, такие как DUNE (Глубокий подземный нейтринный эксперимент) в США и Hyper-Kamiokande в Японии стремится к высокой точности измерений Фаза нарушения CP в матрице PMNS. Если нейтрино покажут яркое нарушение CP, это ещё больше поддержало бы лептогенез как механизм дисбаланса материи и антиматерии решения, гипотезу.

6.3 Поиск распада протонов

Если сценарии барионогенеза GUT верны, распад протона мог бы быть важный источник подсказок. Такие эксперименты, как Super-Kamiokande (и в будущем Hyper-Kamiokande) строго ограничивает время жизни протона для различных каналов распада. Любое открытие распада протона было бы чрезвычайно важным, так как дало бы серьёзные подсказки о нарушении барионного числа на высоких энергиях.

6.4 Поиск аксионов

Хотя аксионы (гипотетические частицы, связанные с проблемой сильного КП решением) не связаны напрямую с барионогенезом в обычном смысле, они также могли бы играть определённую роль в термической истории ранней Вселенной и определять возможные диспропорции материи и антиматерии. Поэтому поиски аксионов по-прежнему является важной частью решения общей головоломки Вселенной.

Вывод

Космическое доминирование материи над антиматерией остаётся одной из основных открытые вопросы физики. Стандартная модель предсказывает определённое нарушение КП, однако недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемую степень асимметрии. Это несоответствие требуется новая физика — или более высокие энергии (например, в масштабе DVT), или введением дополнительных частиц и взаимодействий, которые еще не обнаружили.

Хотя электрослабый баригенез, DVT баригенез и лептогенез являются возможными механизмы, необходим дальнейший экспериментальный и теоретический анализ. Высокоточные эксперименты в физике ускорителей, исследования нейтринных осцилляций и редких распадов исследования и астрофизические наблюдения продолжают проверять эти теории. Ответ на вопрос, почему материя победила антиматерию, может не только расширить наше понимание происхождения Вселенной, а также раскрыть совершенно новые аспекты нашей реальности аспекты.

Рекомендуемые источники и дополнительное чтение

  1. Кронин, Дж. В., & Фитч, В. Л. (1964). “Доказательства 2π распад K20 Мезон.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Ссылка]
  2. Сахаров, А. Д. (1967). “Нарушение CP-инвариантности, C-асимметрия, и барионная асимметрия Вселенной.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Подробные данные и источник обзоров о свойствах частиц, нарушении КП и физике за пределами Пределы Стандартной модели.
  4. Riotto, A., & Trodden, M. (1999). “Последние достижения в Баригенез.” Annual Review of Nuclear and Particle Science, 49, 35–75. [arXiv:hep-ph/9901362]
  5. Dine, M., & Kusenko, A. (2004). “Происхождение Асимметрия материи и антиматерии.” Reviews of Modern Physics, 76, 1–30. [arXiv:hep-ph/0303065]
  6. Kolb, E. W., & Turner, M. S. (1990). The Early Universe. Addison-Wesley. – Классическая книга о космологические процессы, включая баригенез.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Подробно рассматривает инфляцию, нуклеосинтез и баригенез.

Эти работы предоставляют более глубокий теоретический и экспериментальный контекст нарушения КП, нарушение числа барионов и возможные асимметрии материи и антиматерии во Вселенной механизмы. С увеличением объема новых экспериментальных данных мы приближаемся к ответу į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, или ничего?

Вернуться в блог