Medžiaga prieš antimateriją

Матерія проти антиматерії

Матерія проти Антиматерії: дисбаланс, що дозволив домінувати матерії

Одна з найглибших загадок сучасної фізики та космології — чому наш Всесвіт складається майже виключно з матерії, а антиматерії в ній дуже мало. Відповідно до сучасного розуміння, матерія та антиматерія мали бути утворилися майже в рівних кількостях у найперші миті після Великого вибуху, тому вони мали повністю анігілювати — але цього не сталося. Невеликий надлишок матерії (приблизно одна частина на мільярд) зберігся і утворив галактики, зірки, планети та зрештою життя, яке ми знаємо. Ця очевидна асиметрія матерії та антиматерії часто називається асиметрією баріонної Всесвіту терміном і тісно пов’язаний з явищами, що називаються порушенням KP (англ. CP) та баріогенез.

У цій статті ми обговоримо:

  1. Коротка історична перспектива відкриття антиматерії.
  2. Природа дисбалансу матерії та антиматерії.
  3. Симетрія KP (заряду та парності) та її порушення.
  4. Умови Сахарова для баріогенезу.
  5. Запропоновані гіпотези утворення асиметрії матерії та антиматерії (наприклад, електрослабка баріогенез, лептогенез).
  6. Поточні експерименти та майбутні напрямки.

Наприкінці статті ви матимете загальне уявлення, чому, на нашу думку, у Всесвіті є більше матерії, ніж антиматерії, і дізнаєтеся, як наука намагається визначити точний механізм, що зумовлює цей космічний дисбаланс.

1. Історичний контекст: відкриття антиматерії

Концепцію антиматерії вперше теоретично передбачив англійський фізик Пол Дірак у 1928 р. склав систему рівнянь (рівняння Дірака), описуючу релятивістськи рухомі електрони. Це рівняння несподівано дозволило знайти розв’язки, які відповідають частинкам з позитивною та негативною енергією. Розв’язки з «негативною енергією» пізніше інтерпретували як частинки, що мають має таку ж масу, як електрон, але електричний заряд протилежного знаку.

  1. Відкриття позитрона (1932 р.): у 1932 р. американський фізик Карл Андерсон експериментально підтвердив існування антиматерії існування, виявляючи позитрон (античастинку електрона) у космічних променях залишених слідах.
  2. Антiproton і антинейтрон: Антiproton було відкрито у 1955 р. Еміліо Сегре та Оуен Чемберлен, а антинейтрон було виявлено у 1956 р.

Ці відкриття посилили думку, що для кожного виду частинки Стандартної моделі існує античастинка, що має протилежні квантові числа (наприклад, електричний заряд, баріонне число), але ту саму масу і спіни.

2. Природа дисбалансу речовини та антиречовини

2.1 Однорідне утворення у ранньому Всесвіті

Під час Великого вибуху Всесвіт був надзвичайно гарячим і щільним, тому енергія рівень був достатньо високим, щоб утворилися частинки речовини та антиречовини пари. За звичайним розумінням, у середньому для кожної утвореної частинки речовини для частинки мала бути створена відповідна античастинка. З розширенням Всесвіту охолоджуючись, ці частинки і античастинки мали майже повністю анігілювати, перетворюючи масу в енергію (зазвичай у фотони гамма-випромінювання).

2.2 Залишкова речовина

Проте спостереження показують, що Всесвіт переважно складається з речовини. Чиста диспропорція є невеликою, проте саме вона була вирішальною. Це відношення можна кількісно оцінити, дивлячись на щільність баріонів (речовини) і щільність фотонів Відношення у Всесвіті, часто позначуване η = (nB - n̄B) / nγ. Космічного мікрохвильового фону (КМФ) – отримані з таких місій, як COBE, WMAP та Planck – дані показує:

η ≈ 6 × 10−10.

Це означає, що на мільярд фотонів, що залишилися після Великого вибуху, припадає приблизно один протон (або нейтрон) – але найголовніше, що цей один баріон перевищив свій відповідний антибаріон. Постає питання: як виникла ця маленька, але суттєва асиметрія?

3. Симетрія КП та її порушення

3.1 Симетрія у фізиці

У фізиці частинок K (кон'югація заряду) симетрія означає частинки та їх заміну античастинками. P (паритетна) симетрія означає просторову інверсне відображення (зміна знаку просторових координат). Якщо фізичний закон залишається незмінним при виконанні як K, так і P перетворень (тобто «якщо зображення залишається такий самий, коли частинки замінюються античастинками, а ліво і право поміняні місцями іноді"), кажемо, що дотримується симетрія КП.

3.2 Раннє відкриття порушення КП

Спочатку вважалося, що симетрія КП може бути фундаментальною властивістю природи, особливо після у 1950-х роках було виявлено лише порушення паритету (P). Однак у 1964 році Джеймс Кронін і Вал Фітч встановили, що нейтральні каони (K0) при розпаді порушує симетрію КП (Кронін & Фітч, 1964 [1]). Цей революційний результат показав, що навіть КП іноді може порушуватися в певних процесах слабкої взаємодії.

3.3 Порушення КП у Стандартній моделі

У Стандартній моделі фізики частинок порушення КП може виникати через фази матриця Кабібо-Кобаяші-Маскава (CKM), що описує, як кварки різних «смаків» переходять один в одного під дією слабкої взаємодії. Пізніше, у фізиці нейтрино з'явився інший член матриці змішування – матриця Понтекорво–Макі–Накагави–Сакати (PMNS), яка також може повинні мати фази, що порушують КП. Однак досі спостережений рівень порушення КП у цих у секторах занадто малі, щоб пояснити баріонну асиметрію. Тому вважається, що існують додаткові джерела порушення КП поза межами Стандартної моделі.

4. Умови Сахарова для баріогенезу

1967 р. російський фізик Андрій Сахаров сформулював три необхідні умови, щоб у ранньому Всесвіті могла з'явитися матерія і асиметрія антиматерії (Сахаров, 1967 [2]):

  1. Порушення баріонного числа: Має відбуватися взаємодія або процеси, що змінюють чистий баріонний номер B. Якщо баріонний номер строго зберігається, асиметрія баріонів і антибаріонів не може утворитися.
  2. Порушення K і KP: Процеси, що розрізняють матерію і антиматерію, є необхідними. Якщо K і KP були б ідеальними симетріями, будь-який процес, утворення більшої кількості баріонів, ніж антибаріонів, має дзеркальний відповідник, який створюється стільки ж антибаріонів, таким чином «анулюючи» будь-який надлишок.
  3. Відхилення від термічної рівноваги: У термічній рівновазі процеси створення та анігіляції частинок відбуваються в обох напрямках однаково, тому зберігається баланс. Термічно збалансоване середовище, наприклад, швидко розширюваний і охолоджуваний Всесвіт дозволяє певним процесам «записати» асиметрію.

Кожна успішна теорія або механізм барогенезу має відповідати цим трьом умови, щоб можна було пояснити спостережуваний дисбаланс матерії та антиматерії.

5. Запропоновані механізми формування асиметрії матерії та антиматерії

5.1 Електрослабка барогенезa

Електрослабка барогенезa стверджує, що баріонна асиметрія утворився приблизно в той час, коли відбувався електрослабкий фазовий перехід (~10−11 сек. після Великого вибуху). Основні аспекти:

  • Поле Хіггса набуває нелінійного вакуумного значення і таким чином спонтанно порушує електрослабку симетрію.
  • Непертурбативні процеси, звані сфералонами, можуть порушувати загальну кількість баріонів і лептонів (B+L), але зберегти баріонне та лептонне різницю (B−L).
  • Фазовий перехід, якби він був першого роду (тобто характерний утворенням бульбашок), створили б необхідне відхилення від термічної рівноваги.
  • процеси взаємодії, що порушують КП, у секторі Хіггса або під час змішування кварків сприяли б дисбалансу матерії та антиматерії, що виникає в бульбашках.

На жаль, у наявному діапазоні параметрів Стандартної моделі (особливо при масі 125 GeV для відкриття бозона Хіггса) малоймовірно, що електрослабка фазова стадія переходу був першого роду. Крім того, порушення КП, яке дає матриця CKM, надто мале. Тому багато теоретики пропонують фізику, що існує поза межами Стандартної моделі – наприклад, додаткові скалярні поля – щоб електрослабкий барогенез став реальніша.

5.2 Барогенез DVT (GUT)

Теорії Великого об'єднання (GUT) прагнуть об'єднати сильну, слабку та електромагнітну взаємодію за надвисоких енергійних умов (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos бозони ар Гігсо бозони можуть опосередковувати розпад протона чи інші процеси, що порушують число баріонів. Якщо ці процеси відбуваються в нетермальному у ранньому Всесвіті вони фактично можуть генерувати баріонну асиметрію. Однак необхідно, щоб порушення CP у цих сценаріях GUT було достатньо великим, а розпад протона, який передбачає GUT, експериментально поки не вдалося виявлені на таких частотах, яких очікували. Це обмежує простіші GUT моделі баріогенезу.

5.3 Лептогенез

Лептогенез починається з асиметрії лептонів і антилептонів. Ця лептонна асиметрія пізніше через процеси сфералонів електрослабкої взаємодії протягом періоду частково перетворюється на баріонну асиметрію, оскільки ці процеси можуть лептони конвертуються у баріони. Один із популярних механізмів:

  1. Механізм «Seesaw»: Вводяться важкі правозакручені нейтрино (або інші важкі лептони).
  2. Ці важкі нейтрино можуть розпадатися через порушення CP, створюючи лептонний сектор асиметрію.
  3. Частина взаємодії сфералонів перетворює цю лептонну асиметрію на баріонну асиметрія.

Лептогенез привабливий тим, що пов’язує походження мас нейтрино (спостережуване у нейтринних осциляціях) з космічною матерією та дисбалансом антиматерії. Крім того, їй не властиві деякі обмежувальні фактори, що заважають для електрослабкої баріогенезу, тому її часто згадують як одну з основних складових нових теорій фізики.

6. Виконувані експерименти та майбутні напрямки

6.1 Прискорювачі високих енергій

Такі прискорювачі, як Великий адронний колайдер (LHC) – особливо експеримент LHCb – можуть бути чутливими до порушення CP у різних розпадах мезонів (B, D тощо). Вимірюючи масштаб порушення CP і порівнюючи його з прогнозами Стандартної моделі, вчені сподіваються знайти невідповідностей, які могли б свідчити про нову фізику за межами Стандартної моделі.

  • LHCb: Спеціалізується на точних вимірюваннях рідкісних розпадів і порушень CP у дослідженнях b-кваркового сектору.
  • Belle II (KEK у Японії) та вже завершений BaBar (SLAC) також досліджував порушення CP у B-мезонах у системах.

6.2 Експерименти з нейтрино

Експерименти нового покоління з осциляцій нейтрино, такі як DUNE (Глибокий підземний нейтринний експеримент) у США та Hyper-Kamiokande у Японії прагне досягти високої точності вимірювань Фаза порушення CP у матриці PMNS. Якби нейтрино демонстрували яскраве порушення CP, це ще більше підкріпило б лептогенезу як механізм дисбалансу матерії та антиматерії рішення, гіпотезу.

6.3 Пошук розпаду протонів

Якщо сценарії баріогенезу GUT правильні, розпад протона міг би бути важливе джерело підказок. Такі експерименти, як Super-Kamiokande (і в майбутньому Hyper-Kamiokande) жорстко встановлює межі часу існування протона для різних каналів розпаду. Будь-яке відкриття розпаду протона було б надзвичайно важливим, оскільки надало б серйозних підказок про порушення баріонного числа на рівні високих енергій.

6.4 Пошук аксіонів

Хоча аксіони (гіпотетичні частинки, пов’язані з проблемою сильної КП рішення) не пов’язані безпосередньо з баріогенезом у звичайному розумінні, вони також міг би відігравати певну роль у термічній історії раннього Всесвіту і визначати можливі диспропорції матерії та антиматерії. Тому пошук аксіонів залишається важливою частиною у розв’язанні загальної головоломки Всесвіту.

Висновок

Космічне домінування матерії над антиматерією залишається одним із головних відкритих фізичних питань. Стандартна модель передбачає певне порушення КП, проте недостатню, щоб пояснити спостережуваний масштаб асиметрії. Ця невідповідність потребу нової фізики – або вищої енергії (наприклад, у масштабах DVT), або введенням додаткових частинок і взаємодій, які ще не виявлено.

Хоча електрослабкий баріогенез, DVT баріогенез і лептогенез є можливими механізми, необхідний подальший експериментальний і теоретичний аналіз. Високоточні експерименти в фізиці прискорювачів, дослідження нейтринних осциляцій і рідкісних розпадів дослідження, астрономічні спостереження продовжують перевіряти ці теорії. Відповідь на питання, чому матерія перемогла антиматерію, може не лише розширити наше розуміння походження Всесвіту, а й відкривати абсолютно нові аспекти нашої реальності аспекти.

Рекомендовані джерела та додаткове читання

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Докази 2π розпад K20 Мезон.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Посилання]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Порушення CP-інваріантності, C-асиметрія, і баріонна асиметрія Всесвіту.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Детальний аналіз даних і джерело оглядів про властивості частинок, порушення CP та фізику за межами межах Стандартної моделі.
  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. – Класична книга про космологічні процеси, зокрема баріогенез.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Детально розглядає інфляцію, нуклеосинтез та баріогенезу.

Ці роботи надають глибший теоретичний та експериментальний контекст щодо порушення CP, порушення числа баріонів і можливу асиметрію матерії-анти матерії у Всесвіті механізми. Зі збільшенням кількості нових експериментальних даних ми наближаємося до відповіді į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, о не ніхто?

Повернутися до блогу