Medžiaga prieš antimateriją

Material mot antimateria

Materia vs. Antimateria: obalansen som tillät materia att dominera

En av de djupaste gåtorna inom modern fysik och kosmologi är varför vår Universum består nästan helt av materia, och antimateria finns mycket lite av. Enligt nuvarande förståelse borde materia och antimateria ha varit bildades i nästan lika stora mängder i de allra tidigaste ögonblicken efter Stora explosion, så de borde ha anihilerats helt – men det hände inte. En liten materiaöverskott (ungefär en del på en miljard) överlevde och bildade galaxer, stjärnor, planeter och slutligen liv, som vi känner det. Denna uppenbara asymmetrin mellan materia och antimateria kallas ofta barionisk asymmetri i universum termen och är nära kopplad till fenomen som kallas KP (eng. CP) brott och barionbildning.

I denna artikel kommer vi att diskutera:

  1. En kort historisk översikt över upptäckten av antimateria.
  2. Materias och antimaterias obalans natur.
  3. KP (laddning och paritet) symmetri och dess brott.
  4. Sacharovs villkor för barionbildning.
  5. Föreslagna hypoteser om uppkomsten av asymmetri mellan materia och antimateria (t.ex. elektrosvag baryogenes, leptogenes).
  6. Pågående experiment och framtida riktningar.

I slutet av artikeln kommer du att ha en allmän förståelse för varför vi tror att det finns mer materia än antimateria, och du kommer att lära dig hur vetenskapen försöker att fastställa den exakta mekanismen som orsakar denna kosmiska obalans.

1. Historisk kontext: upptäckten av antimateria

Antimateriekonceptet förutspåddes teoretiskt för första gången av den brittiske fysikern Paul Dirac formulerade 1928 ett ekvationssystem (Dirac-ekvationen), som beskriver relativistiskt rörliga elektroner. Denna ekvation gjorde det oväntat möjligt att hitta lösningar som motsvarar partiklar med positiv och negativ energi. Lösningar med ”negativ energi” tolkades senare som partiklar med samma massa som elektronen men med motsatt elektrisk laddning.

  1. Upptäckten av positronen (1932): 1932 upptäckte den amerikanske fysikern Carl Anderson bekräftade experimentellt antimaterians existens upptäcktes genom positronen (elektronens antipartikel) i kosmisk strålning i de kvarlämnade spåren.
  2. Antiprotonen och antineutronen: Antiprotonen upptäcktes 1955 Emilio Segrè och Owen Chamberlain, och antineutronen upptäcktes 1956.

Dessa upptäckter stärkte tanken att varje partikeltyp i Standardmodellen det finns en antipartikel med motsatta kvanttal (t.ex. elektrisk laddning, baryontal, men samma massa och spinn.

2. Naturen av obalansen mellan materia och antimateria

2.1 Jämn bildning i det tidiga universum

Vid Big Bang var universum oerhört varmt och tätt, så energin nivån var tillräckligt hög för att bilda partiklar av materia och antimateria par. Enligt vanlig uppfattning, i genomsnitt för varje bildad materiepartikel för varje partikel måste en motsvarande antipartikel skapas. När universum expanderade och när det svalnade, skulle dessa partiklar och antipartiklar nästan helt ha annihilerats, omvandlar massa till energi (oftast i form av gammastrålningsfotoner).

2.2 Återstående materia

Observationer visar dock att universum till största delen består av materia. Den rena diskrepansen är liten, men det var just den som var avgörande. Detta förhållande kan kvantitativt bedömt, med avseende på baryonernas (materians) densitet och fotonernas densitet Förhållandet, ofta betecknat η = (nB - n̄B) / nγ. Kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (KMF) – erhållen från uppdrag som COBE, WMAP och Planck – data visar:

η ≈ 6 × 10−10.

Det betyder att för varje miljard fotoner kvar efter Big Bang finns det ungefär en proton (eller neutron) – men det viktigaste är att den ena barionen överträffade sin motsvarande antibarion. Frågan är: hur uppstod denna lilla men väsentliga asymmetri?

3. KP-symmetri och dess brott

3.1 Symmetri inom fysiken

Inom partikel fysik betyder K (laddningskonjugering) symmetri att partiklar och deras antipartiklar byts ut. P (paritets) symmetri betyder rumslig invers spegling (ändra tecknet på rymdkoordinaterna). Om en fysikalisk lag förblir oförändrad under både K- och P-transformationer (dvs "om bilden förblir är densamma när partiklar byts ut mot antipartiklar och vänster och höger byts plats på vissa ställen" säger vi att KP-symmetrin bevaras.

3.2 Tidig upptäckt av KP-brott

Inledningsvis trodde man att KP-symmetri kunde vara en fundamental egenskap i naturen, särskilt efter och på 1950-talet upptäcktes endast paritetsbrott (P). Men 1964 James Cronin och Val Fitch upptäckte att neutrino-kaoner (K0) sönderfall bryter CP-symmetrin (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Denna revolutionerande upptäckt visade att även CP kan ibland brytas i vissa svaga växelverksprocesser.

3.3 CP-brott i Standardmodellen

I Standardmodellens partikelfysik kan CP-brott uppstå från faser Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-matrisen, som beskriver hur olika "smaker" av kvarkar övergår i varandra via svag växelverkan. Senare, inom neutrinofysiken uppstod en annan term i blandningsmatrisen – Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS)-matrisen, som också kan måste finnas CP-brottande faser. Men hittills har den observerade graden av CP-brott i dessa i sektorerna är för liten för att förklara universums barioniska asymmetri. Därför antas att det finns ytterligare källor till CP-brott utanför Standardmodellens gränser.

4. Sacharovs villkor för barionbildning

1967 formulerade den ryske fysikern Andrej Sacharov tre nödvändiga villkor för att materia och antimateria skulle kunna uppstå i det tidiga universum antimateriasymmetri (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Brott mot bariontalet: Det måste ske en interaktion eller processer som ändrar det rena baryontalet B. Om baryontalet strikt bevaras, kan ingen baryon- och antibaryonasymmetri uppstå.
  2. K- och CP-brott: Processer som skiljer materia och antimateria, är nödvändiga. Om K och CP var perfekta symmetrier, skulle varje process som skapar fler baryoner än antibaryoner bör ha en spegelbilds-motsvarighet som skapas lika många antibaryoner, vilket "annullerar" all överskott.
  3. Avvikelse från termisk jämvikt: I termisk jämvikt partikelskapande och annihilationsprocesser sker lika mycket i båda riktningarna, därför balansen bevaras. En termiskt balanserad miljö, till exempel, det snabbt expanderande och avkylande universum tillåter vissa processer att "fästa" asymmetrin.

Varje framgångsrik baryogenesteori eller mekanism måste uppfylla dessa tre förutsättningar för att kunna förklara den observerade obalansen mellan materia och antimateria.

5. Föreslagna mekanismer för bildandet av materia- och antimateriaasymmetri

5.1 Elektrosvag barogenes

Elektrosvag barogenes hävdar att baryonasymmetrin bildades ungefär vid den tidpunkt då den elektrosvaga fasövergångsfasen ägde rum (~10−11 sek. efter Big Bang). Huvudpunkter:

  • Higgsfältet får ett icke-linjärt vakuumvärde och därigenom spontant den elektrosvaga symmetrin.
  • Icke-perturbativa processer, kallade sferoner, kan bryta det totala antalet baryoner och leptoner (B+L), men bevara baryon- och leptonantalet skillnaden (B−L).
  • Fasövergången, om den vore av första ordningen (dvs. kännetecknad av bubbelbildning), skapar den nödvändiga avvikelsen från termisk jämvikt.
  • CP-brottande växelverkansprocesser i Higgs-sektorn eller under kvarkblandning skulle bidra till obalansen mellan materia och antimateria som uppstår i bubblorna.

Tyvärr, inom det nuvarande parameterområdet för Standardmodellen (särskilt vid 125 GeV-massan för upptäckten av Higgs-bosonen) är det osannolikt att den elektrosvaga fasövergången var av första ordningen. Dessutom är CP-brottet som CKM-matrisen ger för litet. Därför många teoretiker föreslår en fysik utanför Standardmodellen – till exempel ytterligare skalära fält – för att den elektrosvaga barogenesen ska bli mer realistisk.

5.2 GUT (GUT) barogenes

Stora enhetsteorier (GUT) syftar till att förena den starka, den svaga och elektromagnetiska växelverkan under mycket höga energiförhållanden (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai och Higgs-bozoner kan mediera protonens sönderfall eller andra processer som bryter baryontal. Om dessa processer sker utanför termisk jämvikt i den tidiga universums miljö kan de i princip generera baryonasymmetri. Men det är nödvändigt att KP-brottet i dessa GUT-scenarier är tillräckligt stort, och protonens sönderfall, som GUT förutspår, har experimentellt ännu inte lyckats upptäckas med de frekvenser som förväntats. Detta begränsar enklare GUT baryogenesmodeller.

5.3 Leptogenes

Leptogenes börjar med asymmetri mellan leptoner och antileptoner. Denna leptonasymmetri omvandlas senare via sferalonprocesser i den elektrosvaga under perioden delvis omvandlas till baryonasymmetri eftersom dessa processer kan för att konvertera leptoner till baryoner. En populär mekanism är:

  1. „Seesaw“ mekanism: Tunga högerspinns neutriner introduceras neutriner (eller andra tunga leptoner).
  2. Dessa tunga neutriner kan sönderfalla via KP-brott och skapa leptonsektorns asymmetri.
  3. Sferalonernas interaktion omvandlar en del av denna leptonasymmetri till baryonasymmetri. asymmetri.

Leptogenes är attraktivt eftersom det kopplar neutrino massors ursprung (observerbar neutrinooscillationer) med kosmisk materia och antimateria obalans. Dessutom saknar den vissa begränsande faktorer som hindrar för elektrosvag barogenes, därför nämns den ofta som en av de viktigaste komponenter i nya fysikteorier.

6. Genomförda experiment och framtida riktningar

6.1 Högenergiacceleratorer

Acceleratorer som Large Hadron Collider (LHC) – särskilt experimentet LHCb – kan vara känsliga för KP-brott i olika mesoners (B, D m.fl.) sönderfall. Genom att mäta graden av KP-brott och genom att jämföra med Standardmodellens förutsägelser hoppas forskarna hitta avvikelser som kan indikera ny fysik bortom Standardmodellen.

  • LHCb: Specialiserar sig på precisa mätningar av sällsynta sönderfall och KP-brott i b-kvarksektorn.
  • Belle II (KEK i Japan) och det redan avslutade BaBar (SLAC) har också undersökt KP-brott i B-mesoners i system.

6.2 Neutrinoexperiment

Nya generationens neutrinosvängningsexperiment, såsom DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) i USA och Hyper-Kamiokande i Japan strävar efter hög precision i mätningarna KP-brottets fas i PMNS-matrisen. Om neutriner skulle visa ett tydligt KP-brott, skulle ytterligare stödja leptogenes som orsaken till obalansen mellan materia och antimateria lösning, hypotes.

6.3 Sökning efter protonförfall

Om GUT-barionbildningsscenarier är korrekta kan protonförfall vara en viktig källa till ledtrådar. Experiment som Super-Kamiokande (och i framtiden Hyper-Kamiokande) fastställer strikt gränser för protonens livslängd för olika sönderfallskanaler. Upptäckten av protonförfall skulle vara mycket viktig eftersom den skulle ge allvarliga ledtrådar om överträdelse av baryontalet på hög energinivå.

6.4 Axionsökning

Även om axioner (hypotetiska partiklar kopplade till den starka KP-problemet lösning) är inte direkt kopplade till barionbildning i traditionell mening, de är också kunna spela en viss roll i det tidiga universums termiska historia och kan orsaka möjliga disproportionaliteter mellan materia och antimateria. Därför kan axionsökningar är fortfarande en viktig del i att lösa det stora pusslet om universum.

Slutsats

Kosmisk materiaövervikt över antimateria förblir en av de viktigaste öppna fysikfrågor. Standardmodellen förutsäger viss KP-överträdelser, men otillräcklig för att förklara den observerade graden av asymmetri. Denna diskrepans kräver ny fysik – eller högre energi (t.ex. på DVT-skala), eller genom att införa ytterligare partiklar och interaktioner som ännu har inte upptäckts.

Även om elektrosvag barigenez, DVT barigenez och leptogenez är möjliga mekanismer, krävs ytterligare experimentell och teoretisk analys. Högprecisions- experiment inom acceleratorfysik, neutrinooscillationsstudier och sällsynta sönderfall forskning och astrofysiska observationer fortsätter att testa dessa teorier. Svaret på frågan varför materia segrade över antimateria kan inte bara utvidga vår förståelse av universums ursprung, men också avslöja helt nya aspekter av vår verklighet aspekter.

Rekommenderade källor och vidare läsning

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). ”Bevis för 2π-förfall av K20 Meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Länk]
  2. Sakharov, A. D. (1967). ”Brott mot CP-invarians, C-asymmetri, och baryonasymmetri i universum.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Omfattande data och en översiktskällan om partikelegenskaper, CP-brott och fysik bortom Standardmodellens gränser.
  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 kosmologiska processer, inklusive barionbildning.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Behandlar ingående inflation och kärnsyntes och barionbildning.

Dessa arbeten ger en djupare teoretisk och experimentell kontext om CP-brott, brott mot baryontalet och möjliga asymmetrier mellan materia och antimateria i universum mekanismer. Med ökande mängd ny experimentell data närmar vi oss svaret į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, eller ingenting?

Återgå till bloggen