Антиматерия и материя: Access denied | nangs.org used Cloudflare to restrict access

Введение

Как устроен окружающий Мир? Как он образовался? Что такое материя и антиматерия? Эти вопросы постоянно волновали человечество. И в зависимости от культуры и уровня знаний ответы были различны и постоянно эволюционировали. Сегодня ответ, основанный на знании физических законов, звучит так. Вселенная существовала не всегда. Она родилась в результате Большого взрыва. Большой взрыв – начальный момент времени, в который родилось пространство и время, началось расширение нашей Вселенной. Расширение Вселенной впервые установил в 1929 г. Э. Хаббл, измерив скорости удаления различных галак­тик от наблюдателя, находящегося на Земле. Данные космологии и физики частиц говорят о том, что в начальный момент Вселенная имела очень большую плотность и высокую температуру. Непосредственно после Большого взрыва вещество во Вселенной находилось в экстремальных условиях. Плотность вещества во Вселенной превышала 1090 г/см3, а температура была выше 1032 К. Нам не известны законы физики, с помощью которых можно описывать вещество в этих условиях. В горячей Вселенной существовали все известные в настоящее время частицы. Каждая частица имела двойника – античастицу. В горячей Вселенной частицы и античастицы постоянно рождались и аннигилировали. Однако по мере расширение Вселенной её температура и плотность уменьшилась настолько, что эти условия можно воспроизвести на ускорителях. Процессы рождения и аннигиляции частиц и античастиц имеют одну особенность. Аннигиляция частицы и античастицы происходит при любой энергии взаимодействия. Но для того, чтобы происходило рождение частицы и античастицы энергия сталкивающихся частиц должна превышать их удвоенную энергию покоя. Поэтому по мере остывания Вселенной вначале перестали образовываться наиболее массивные частицы и античастицы, а затем и частицы и античастицы с меньшей массой. Образование частиц и античастиц становится всё более редким явлением, начинает преобладать их аннигиляция. Если процесс рождения частиц и античастиц приводит к рождению массивных частиц, то процесс их аннигиляции в конечном итоге приводит к рождению квантов энергии — фотонов. В горячей Вселенной в условиях термодинамического равновесия на начальном этапе рождалось одинаковое число частиц, античастиц и фотонов высокой энергии. Поэтому казалось, что их аннигиляция должна была привести к полному уничтожению частиц и античастиц. Однако доступная нашему наблюдению часть Вселенной состоит только из частиц вещества. Земля, Солнечная система, галактики состоят из вещества – материи, управляемой законом гравитации. Куда же девались античастицы? Почему нарушилось равновесие между материей и антиматерией? Ответ на эти вопросы можно получить из экспериментов на современных ускорителях. Эти эксперименты позволяют воспроизвести условия, существовавшие во Вселенной ко времени 10–17 с с момента её рождения. Материя и антиматерия управляются одинаковыми физическими законами, однако небольшое различие в распадах частиц и античастиц привело к тому, что к моменту времени 10–17 с на 109 частиц антиматерии существовало 109 + 1 частиц материи. Аннигиляция 109 частиц материи и антиматерии привела к образованию наблюдаемого сегодня реликтового излучения. Вселенная заполнена фотонами реликтового излучения. На 109 фотонов реликтового излучения приходится 1 частица материи. Вся наблюдаемая во Вселенной материя составляет ничтожно малую долю превышения материи над антиматерией.     Идея античастиц была впервые высказана П. Дираком на основе анализа написанного им релятивистского уравнения электрона. Он обнаружил, что кроме решений, соответствующих обычным электронам, автоматически получались решения, соответствующие частицам с такой же массой как у электрона, но с отрицательной энергией и с положительным электрическим зарядом +e. Эта частица была названа позитроном. Открытие позитрона К. Андерсоном подтвердило правильность идеи П. Дирака. Позитрон был первой обнаруженной античастицей.     В течение длительного времени электрон и позитрон были единственными известными частицами, образующими пару частица e— и античастица e+. Имеют ли другие частицы своих двойников – античастицы? Это было не очевидно, так как электрон и позитрон не участвуют в сильных взаимодействиях, т. е. они входят в класс лептонов. Большинство же вновь открытых частиц входит в другой класс частиц – адронов. Адроны – частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Поэтому необходимо было выяснить, имеют ли античастицы адроны. Наиболее удобной античастицей, обнаружение которой могло ответить на этот вопрос, был антипротон.     Свойства антипротона были предсказаны еще во времена открытия позитрона. Однако для того, чтобы обнаружить эту частицу, необходимо было иметь протоны с кинетической энергией больше 6 ГэВ. Такой ускоритель был специально построен, и начались эксперименты по обнаружению антипротона и антинейтрона. В 1955 г. удалось получить и идентифицировать антипротоны, образующиеся в реакции р + р →  p + р + р + .     Античастицы обычно обозначают как частицы с черточкой наверху. В 1956 году был открыт антинейтрон. Пятидесятые годы завершились открытием большого числа античастиц.     Сейчас почти ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что каждая частица имеет «двойника» — античастицу. Античастицы обладают рядом характеристик, имеющих те же численные значения, что и частицы и некоторые характеристики с противоположным знаком. Так частица и античастица имеют одинаковые массы, время жизни, но противоположные знаки электрических зарядов, магнитных моментов и др. Схемы распада частиц и античастиц — зарядово-сопряженные, т. е. отличаются заменой частиц на античастицы, например, n → p + e— + e, → + e+ + νe.     В некоторых случаях частица и античастица тождественны. Такие частицы называются истинно нейтральными частицами. Истинно нейтральными частицами являются γ-квант, π0-мезон и некоторые другие мезоны.     В настоящее время обнаружено практически все античастицы известных частиц. Более того, большинство античастиц было открыто одновременно с первым наблюдением соответствующей частицы. Обнаружены все антилептоны и исследованы их характеристики. Обнаружены античастицы двух основных составляющих атомного ядра – антипротон  и антинейтрон , получены изотопы антиводорода антидейтерий , антитритий  изотопы антигелия , . В лабораторных условиях удалось создать атомы антиводорода, атомы и молекулы позитрония, состоящие из частиц материи и антиматерии. Таблица. Открытие античастиц, антиядер, антиатомов Античастица Год открытия Позитрон, e+ 1932. Космические лучи. K. Anderson Мюон, μ+ 1936. Космические лучи. K. Anderson Таон, τ+ 1975. M. Perl. Электрон-позитронный коллайдер SLAC Электронное антинейтрино, e 1956. F. Reines, C. L. Cowan Мюонное антинейтрино, μ 1962. L. M. Lederman, M. Schwartz, S. Steinberger. Brookhaven Таонное антинейтрино, τ 2000. Fermilab Антипротон, 1955. O. Chamberlain, E. Segre, C. Wiegand, T. Ypsilantis. Berkeley Антинейтрон, 1956. B. Cork, G. Lamgbertson, O. Piccioni, W. Wenzel. Berkeley Антидейтерий, 1966. L. M. Lederman. Berkeley Антигелий-3, 1970. Ю. Прокошкин. ИФВЭ (Серпухов) Антитритий, 1973. В. Рыкалин, В. Петрухин. ИФВЭ (Серпухов) Антигелий-4, 2011. Коллаборация STAR. RHIC Атом антиводорода, 1995. Эксперимент SP20. LEAR, CERN     Некоторые радиоактивные ядра в результате β-распада самопроизвольно испускают позитроны и антинейтрино. В таблице приведены основные этапы открытий античастиц.     Но сегодня загадка выживания материи в результате аннигиляции – это не единственная загадка, которая существует во Вселенной. Другая загадка – существование темной материи. Астрономические наблюдения показывают, для того, чтобы описать динамику движения звездных скоплений необходимо предположить, что наряду с наблюдаемой материей существует ещё неизвестная нам форма материи – темная материя. На одну частицу известной нам материи приходится 7–8 частиц темной материи. Обычная материя и темная материя взаимодействуют только в результате гравитационного взаимодействия. По результатам этого взаимодействия и было установлено существование темной материи. Темную материю невозможно наблюдать в обычные оптические детекторы. Темная материя не состоит из известных нам сегодня частиц и античастиц. По-видимому, она состоит из частиц, о которых мы сегодня ничего не знаем.     Ещё одна загадка Вселенной. Расширение Вселенной не замедляется, как это следует из известных нам законов гравитации. В 1998 г. в результате наблюдения движения галактик было показано, что Вселенная расширяется с ускорением. Считается, что существуют неизвестные нам поля, которые приводят не к притяжению частиц материи, а к их расталкиванию. Энергия этих полей называется темной энергией. Темная энергия составляет примерно 70% полной энергии Вселенной. Около 30% энергии Вселенной приходится на темную материю. Наблюдаемая и хорошо изученная материя Вселенной составляет лишь около 5%.     Для того, чтобы понять условия в результате которых сформировалась современная Вселенная, как происходила её эволюция, на ускорителях ставятся эксперименты по столкновению тяжелых ядер. Для этого использовался ускоритель RHIC (релятивистский коллайдер тяжелых ионов), построенный недалеко от Нью-Йорка. В европейской лаборатории ЦЕРН недалеко от Женевы начал работать LHC (Большой Адронный Коллайдер). Эксперименты на этих ускорителях должны дать ответ, насколько адекватно явления, происходящие во Вселенной, описываются в Стандартной модели, установить новые законы симметрии Природы. Нет сомнений в том, что будут открыты новые закономерности поведения материи в условиях большой плотности энергии и высокой температуры, будут получены результаты, которые сегодня невозможно даже предсказать.

Приближается разгадка тайны, почему во Вселенной так много материи и куда делась антиматерия

09.09.2022 | 14:00

NASA, ESA, CSA, and STScI

Сегодня для ученых это одна фундаментальных тайн мироздания.

В начале своей истории, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была заполнена равным количеством материи и антиматерии — частицами, которые являются копиями материи, но с противоположным зарядом. Затем, когда пространство расширилось, Вселенная остыла. Сегодняшняя Вселенная полна галактик и звезд, состоящих из материи. Куда делась антиматерия, как и почему материя стала доминировать? Это продолжает озадачивать ученых.

Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде (США) и Университета Цинхуа (Китай) открыли новый путь для исследования космического происхождения материи, задействовав «космологический коллайдер».

Коллайдеры высоких энергий, такие как Большой адронный коллайдер, были построены для производства очень тяжелых субатомных элементарных частиц, которые могут открыть новую физику. Но некоторые вопросы физики, такие как объяснение «темной материи» или происхождения материи как таковой, требуют извлечения более тяжелых частиц. Для этого нужно гораздо больше энергии, чем может обеспечить искусственный коллайдер. Оказывается, ранний космос мог служить таким суперколлайдером.

Яноу Куи, адъюнкт-профессор физики и астрономии, объяснила: «Широко распространено мнение, что Большому взрыву предшествовала космическая инфляция — эпоха, когда Вселенная расширялась с экспоненциально ускоряющейся скоростью. Космическая инфляция создала высокоэнергетическую среду, позволяющую производить новые тяжелые частицы и их взаимодействие. Инфляционная Вселенная вела себя точно так же, как космологический коллайдер, за исключением того, что энергия была в 10 миллиардов раз больше, чем у любого коллайдера, созданного человеком».

Микроскопические структуры, созданные во время инфляции, растягивались по мере расширения пространства, что приводило к образованию областей различной плотности в однородной Вселенной. Впоследствии эти микроскопические структуры породили всю нашу Вселенную. Куи говорит, что новая физика субатомных частиц может быть открыта с помощью изучения отпечатка этого космологического «коллайдера» в сегодняшнем космосе: в галактиках и космическом микроволновом излучении.

Научная статья вышла в журнале Physical Review Letters, об исследовании сообщили в Калифорнийском университете Риверсайда.

Авторы работы уверены, что благодаря применению физики космологического коллайдера и использованию  точных данных для измерения структуры Вселенной из предстоящих экспериментов (например, SPHEREx и 21-сантиметровая линейная томография), тайна происхождения материи может быть разгадана.

«Тот факт, что в нашей современной Вселенной преобладает материя, остается одной из самых сложных и давних загадок современной физики. Тонкий дисбаланс или асимметрия между материей и антиматерией в ранней Вселенной был необходим для существования сегодняшнего мира, но как так произошло, сегодняшняя фундаментальная физика до конца не понимает», — сказала Куи.

Ученые предлагают проверить концепцию лептогенеза, объясняющую происхождение асимметрии частиц. Если бы Вселенная началась с равных количеств материи и антиматерии, они аннигилировали (взаимно уничтожили) бы друг друга, превратившись в свет, не оставив ничего. Поскольку материя сегодня намного превосходит по количеству антиматерию, для объяснения дисбаланса требуется асимметрия.

«Лептогенез является одним из наиболее убедительных механизмов, порождающих асимметрию материи и антиматерии. Это связано с новой фундаментальной частицей, которую недавно включили в Стандартную модель, — правым нейтрино. Однако долгое время считалось, что проверка лептогенеза почти невозможна, потому что масса правого нейтрино обычно на много порядков превышает досягаемость самой высокой энергии когда-либо построенного коллайдера», — говорит Куи.

В новой работе предлагается проверить лептогенез с помощью подробного анализа статистики  распределения объектов в наблюдаемом сегодня космосе, которое является отпечатком распределения вещества в ранней Вселенной. Исследователи утверждают, что эффект космологического коллайдера позволяет рассчитать формирование сверхтяжелых правых нейтрино в инфляционную эпоху.

«Мы показываем, что существенные условия для создания асимметрии, включая взаимодействия и массы правых нейтрино, которые в данном случае играют ключевую роль, могут оставлять отчетливые отпечатки в статистике пространственного распределения галактик и космического микроволнового фона. Астрофизические наблюдения, ожидаемые в ближайшие годы, потенциально могут обнаружить такие сигналы и раскрыть космическое происхождение материи», — сказала исследовательница.

«Уэбб» обнаружил больше древних галактик, чем должно быть согласно Стандартной модели

Астрофизики измерили количество темной материи, каким оно было 12 млрд лет назад

• Физика всего

• Остальные теги

Расскажите друзьям

• Хомо футурис. Каким будет человек будущего?

• Shutterstock

  Ученые рассказали, как сварить идеальный кофе

• Разбор скелета собаки

  Сергей Каинов, Гнёздово Project

  Разрубленная собака и чуть-чуть золота: в Гнездове завершены раскопки двух курганов X в.

• Shutterstock

  Расплата за романтику. Об изнанке профессии космонавта

• Вранье: как его распознать — и надо ли? 

Хотите быть в курсе последних событий в науке?

Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку

Ваш e-mail

Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных

поймана частица, которая «переключается» между материей и антиматерией

10 июня 2021
13:05

Ольга Мурая

Учёные знают о существовании очарованных мезонов уже более 10 лет, однако только сейчас удалось доказать, что эти частицы могут переходить в состояние антиматерии и обратно.

Фото Djandyw.com/VisualHunt.com.

Учёные измерили разницу в массе мезонов D1 и D2. Эта разница контролирует скорость, с которой D-мезон колеблется между состояниями частицы и античастицы.

Иллюстрация CERN.

Специалисты из Оксфорда нашли субатомную частицу, которая может переходить границу «материя-антиматерия» и обратно. Открытие может дать ответ на один из самых волнующих вопросов современной науки.

Физики из Оксфорда обнаружили в данных Большого адронного коллайдера «переключение» субатомной частицы между состоянием частицы и собственной античастицы. Также учёные указали на то, что «ничтожная» разница в массе между двумя частицами могла спасти Вселенную от полной аннигиляции незадолго после её возникновения.

Мы подробно писали о том, что такое вещество и антивещество и почему наблюдаемый дисбаланс их количества во Вселенной так волнует учёных.

Вкратце напомним, что антиматерию часто называют «злым двойником» материи. Для каждой частицы существует её античастица, которая имеет немного отличные характеристики.

В случае встречи частицы и античастицы они аннигилируют (уничтожают друг друга), высвободив огромное количество энергии.

Немного сложной физики

Для лучшего понимания того, как учёные получили новый важный результат, слегка углубимся в дебри квантовой физики. Если же вам лень читать про кварки и их очарование, то смело переходите к следующему абзацу.

Итак, некоторые частицы, к примеру, фотоны (они же частицы света), на деле являются своими собственными античастицами. Кроме того, некоторые частицы могут находиться в странной комбинации частицы и античастицы одновременно благодаря такой квантовой причуде как суперпозиция состояний (известной многим благодаря аналогии в виде кота Шрёдингера). Последнее означает, что такие частицы очень быстро колеблются между состояниями материи и антиматерии.

Теперь в этот «закрытый клуб» вступила ещё одна частица – так называемый очарованный мезон (он же D-мезон). Эта субатомная частица обычно состоит из очарованного кварка и верхнего антикварка. Её эквивалент из антиматерии состоит из очарованного антикварка и верхнего кварка.

Обычно эти два состояния «отделены» друг от друга. Однако в новой работе британских учёных описан процесс, в котором очарованные мезоны могут произвольно переключаться между ними.

Как учёные поймали перебежчика?

На всякий случай повторим, что частицей, которая то и дело пересекает границу «материя-антиматерия», оказался очарованный мезон.

Таких перебежчиков выдала масса. Два состояния отличаются по этому параметру. И хотя это отличие ничтожно мало, физики всё же умудрились его «увидеть» в данных эксперимента LHCb. Чтобы вы понимали, что значит «ничтожно мало»: разница в массах частицы и античастицы составляет всего 0,00000000000000000000000000000000000001 грамма.

Учёные измерили разницу в массе мезонов D1 и D2. Эта разница контролирует скорость, с которой D-мезон колеблется между состояниями частицы и античастицы.

Иллюстрация CERN.

Это невероятно точное измерение было сделано в ходе анализа данных, собранных во время запуска Большого адронного коллайдера.

Очарованные мезоны рождаются во время фотон-фотонных столкновений на БАК. Обычно они существуют всего несколько секунд и успевают пролететь всего несколько миллиметров, прежде чем распасться на другие частицы.

Исследовательская группа из Оксфордского университета сравнила пути очарованных мезонов и обнаружила, что некоторые из них успевают пролететь чуть большее расстояние. Так физики определили, что основным фактором, отвечающим за то, станет ли очарованный мезон своей античастицей, является его масса.

Так как на БАКе физики создают огромное количество фотонов и проводят много их столкновений, они могут видеть подобные «переключения» много-много раз. Соответственно, растёт и уверенность учёных в получаемом результате.

В данном случае усовершенствованные компьютерные алгоритмы позволили получить статистический параметр, который физики называют «пять сигма». То есть в данном открытии сомневаться не приходится.

Какое значение этот результат имеет для Вселенной?

Эта «крохотная» находка может иметь огромные последствия для понимания устройства Вселенной. Ведь согласно Стандартной модели физики элементарных частиц Большой взрыв должен был породить одинаковое количество материи и антиматерии.

Аннигилировав друг с другом, они должны были оставить после себя пустоту (но очевидно, что этого не произошло). Ответ на вопрос «Почему?» до сих пор не известен науке.

Почему-то материи родилось или осталось больше, чем антиматерии. Но какие процессы за это отвечали? Физики-теоретики и их коллеги экспериментаторы до сих пор ищут ответ.

Новое открытие позволяет выдвинуть одну любопытную гипотезу. Возможно, частицы наподобие очарованных мезонов переходят из состояния антиматерии в материю чуть чаще, чем из состояния материи в антиматерию.

Новые данные позволят исследователям определить частоту переходов «материя-антиматерия» и обратно, а также выяснить, верна ли эта гипотеза, и если да, то почему.

Ответ на этот вопрос может скрывать ключ к одной из главных загадок науки, пишет издание New Atlas.

Работа британских физиков принята к публикации в журнал Physical Review Letters, а пока доступна на сайте препринтов arXiv.org.

Напомним, ранее мы писали о другом явлении, которое может быть ответом на вопрос, почему мир ещё существует. Сообщали мы и о революционном эксперименте, в котором физики управляли антиматерией с помощью лазера.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

наука
физика
Вселенная
CERN/ЦЕРН
материя
БАК
антиматерия
общество
новости

Исследована связь между антиматерией и темной материей

• НОВОСТИ И МНЕНИЯ
• 13 ноября 2019 г.

Сверхчувствительные эксперименты с захваченными антипротонами дают представление о возможных различиях между материей и антиматерией. Теперь они могли также пролить свет на сущность темной материи — «недостающей» массы во Вселенной.

• Джанпаоло Карози ⁰

1. Джанпаоло Карози

   1. Джанпаоло Карози входит в группу обнаружения редких явлений Управления физических и биологических наук Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, Ливермор, Калифорния, 94550, США.

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed
   Google ученый

Две самые интригующие загадки современной космологии — очевидное преобладание обычной материи над антиматерией и природа темной материи, на долю которой приходится около 85% массы Вселенной ¹ . Темная материя сообщила о своем присутствии только благодаря гравитационному воздействию на астрофизические объекты. Следовательно, частица любого типа, из которой она состоит, должна слабо взаимодействовать с другим веществом. Одним из ведущих кандидатов является аксион — легкая нейтральная частица, которая первоначально постулировалась для объяснения того, почему у нейтрона отсутствует измеримый электрический дипольный момент ² . До сих пор исследователи искали доказательства связи между аксионной темной материей и только обычными частицами, такими как фотоны, электроны и ядра 9.0014 3 ^{, 4} . Написание Природа , Сморра и др. . ⁵ сообщают о поиске связи между аксионной темной материей и антиматерией (в частности, антипротонами).

Варианты доступа

Подписаться на журнал

Получить полный доступ к журналу на 1 год

199,00 €

всего 3,90 € за выпуск

Подписаться

Расчет налогов будет завершен во время оформления заказа.

Купить статью

Получите ограниченный по времени или полный доступ к статье на ReadCube.

32,00 $

Купить

Все цены указаны без учета стоимости.

Природа 575 , 293-294 (2019)

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-03431-5

Каталожные номера

1. Сотрудничество с Planck. Препринт на https://arxiv.org/abs/1807.06209 (2018).

2. Kim, J. E. & Carosi, G. Rev. Mod. физ. 82 , 557–601 (2010).

   Артикул

   Google ученый

3. Грэм, П. В., Ирасторза, И. Г., Ламоро, С. К., Линднер, А. и ван Биббер, К. А. Annu. Преподобный Нукл. Часть. науч. 65 , 485–514 (2015).

   Артикул

   Google ученый

4. «>

   Стадник Ю. В. и Фламбаум В. В. Препринт на https://arxiv.org/abs/1806.03115 (2018).

5. Сморра, К. и др. Природа 575 , 310–314 (2019).

   Артикул

   Google ученый

6. Raffelt, GG в Axions: Lecture Notes in Physics Vol. 741 (под редакцией Кустера, М., Раффельта, Г. и Бельтрана, Б.) 51–71 (Springer, 2008).

   Google ученый

7. Хуэй Л., Острикер Дж. П., Тремейн С. и Виттен Э. Физ. Ред. D 95 , 043541 (2017).

   Артикул

   Google ученый

8. Сморра, К. и др. Евро. физ. Дж. Спец. Верхний. 224 , 3055–3108 (2015).

   Артикул

   Google ученый

9. Сморра, К. и др. Природа 550 , 371–374 (2017).

   ПабМед
   Статья

   Google ученый

Скачать ссылки

• Прочтите статью: Прямые пределы взаимодействия антипротонов с аксионоподобной темной материей

• Детектор темной материи наблюдает экзотический ядерный распад

• Оптический переход в антиводороде

• Просмотреть все новости и просмотры

Субъекты

• Физика частиц
• Астрономия и астрофизика

Последнее:

Физики используют космологический коллайдер, чтобы объяснить, почему во Вселенной доминирует материя, а не антиматерия — ScienceDaily

В начале своей истории, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была заполнена равным количеством материи и «антиматерии» — частиц которые являются аналогами материи, но с противоположным зарядом. Но затем, когда пространство расширилось, Вселенная остыла. Сегодняшняя Вселенная полна галактик и звезд, состоящих из материи. Куда делась антиматерия и как материя стала доминировать во Вселенной? Это космическое происхождение материи продолжает озадачивать ученых.

Физики из Калифорнийского университета в Риверсайде и Университета Цинхуа в Китае открыли новый путь для исследования космического происхождения материи, задействовав «космологический коллайдер».

Не просто коллайдер

Высокоэнергетические коллайдеры, такие как Большой адронный коллайдер, были построены для производства очень тяжелых субатомных элементарных частиц, которые могут открыть новую физику. Но некоторые новые физики, такие как объяснение темной материи и происхождения материи, могут включать гораздо более тяжелые частицы, требующие гораздо большей энергии, чем может обеспечить искусственный коллайдер. Оказывается, ранний космос мог служить таким суперколлайдером.

Яно Цуй, адъюнкт-профессор физики и астрономии UCR, объяснил, что широко распространено мнение, что космическая инфляция, эпоха, когда Вселенная расширялась с экспоненциально ускоряющейся скоростью, предшествовала Большому взрыву.

«Космическая инфляция создала высокоэнергетическую среду, позволяющую производить новые тяжелые частицы, а также их взаимодействие», — сказал Цуй. «Инфляционная Вселенная вела себя точно так же, как космологический коллайдер, за исключением того, что энергия была в 10 миллиардов раз больше, чем у любого искусственного коллайдера».

По словам Куи, микроскопические структуры, созданные энергетическими событиями во время инфляции, растягивались по мере расширения Вселенной, что приводило к областям различной плотности в однородной вселенной. Впоследствии эти микроскопические структуры породили крупномасштабную структуру нашей Вселенной, проявляющуюся сегодня в виде распределения галактик по небу. Цуй объяснил, что новая физика субатомных частиц может быть раскрыта путем изучения отпечатка космологического коллайдера в сегодняшнем космосе, таком как галактики и космическое микроволновое излучение.

реклама

Цуй и Чжун-Чжи Сяньюй, доцент кафедры физики Университета Цинхуа, сообщают в журнале Physical Review Letters , что, применяя физику космологического коллайдера и используя точные данные для измерения структуры нашего Вселенной из предстоящих экспериментов, таких как SPHEREx и 21-сантиметровая линейная томография, тайна космического происхождения материи может быть разгадана.

«Тот факт, что в нашей современной Вселенной преобладает материя, остается одной из самых загадочных и давних загадок современной физики», — сказал Цуй. «Тонкий дисбаланс или асимметрия между материей и антиматерией в ранней Вселенной необходим для достижения сегодняшнего господства материи, но не может быть реализован в известных рамках фундаментальной физики».

Лептогенез спешит на помощь

Цуй и Сяньюй предлагают проверить лептогенез, хорошо известный механизм, объясняющий происхождение бариона — видимого газа и звезд — асимметрии в нашей Вселенной. Если бы Вселенная началась с равных количеств материи и антиматерии, они аннигилировали бы друг друга в фотонное излучение, не оставив ничего. Поскольку материя сегодня намного превосходит антиматерию, для объяснения дисбаланса требуется асимметрия.

«Лептогенез — один из наиболее убедительных механизмов, порождающих асимметрию материи и антиматерии, — сказал Цуй. «Это связано с новой фундаментальной частицей, правым нейтрино. Однако долгое время считалось, что проверка лептогенеза почти невозможна, потому что масса правого нейтрино обычно на много порядков превышает досягаемость самой высокой энергии. когда-либо построенный коллайдер, Большой адронный коллайдер».

В новой работе предлагается проверить лептогенез путем расшифровки детальных статистических свойств пространственного распределения объектов в космической структуре, наблюдаемых сегодня, напоминающих микроскопическую физику во время космической инфляции. Исследователи утверждают, что эффект космологического коллайдера позволяет производить сверхтяжелые правые нейтрино в инфляционную эпоху.

«В частности, мы демонстрируем, что существенные условия для генерации асимметрии, включая взаимодействия и массы правых нейтрино, которые здесь играют ключевую роль, могут оставлять отчетливые отпечатки пальцев в статистике пространственного распределения галактик или космических микроволновых фон и могут быть точно измерены», — сказал Цуй. «Астрофизические наблюдения, ожидаемые в ближайшие годы, потенциально могут обнаружить такие сигналы и раскрыть космическое происхождение материи».

Cui был поддержан в исследовании грантом Министерства энергетики США.

Физики видят новую разницу между материей и антиматерией

• НОВОСТИ
• 21 марта 2019 г.

Открытие ЦЕРН крошечного эффекта в частицах, называемых D-мезонами, дает новый способ исследовать, почему существует материя.

• Элизабет Гибни

1. Элизабет Гибни

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed
   Google ученый

У вас есть полный доступ к этой статье через ваше учреждение.

Скачать PDF

Эксперимент LHCb дал физикам новый способ исследовать дисбаланс вещества и антивещества во Вселенной. Предоставлено: Максимилиан Брис/CERN

Эксперимент на Большом адронном коллайдере (БАК), самом мощном в мире ускорителе частиц, выявил новую разницу в том, как материя и антиматерия ведут себя по-разному, — ту, за которой физики охотились десятилетиями.

Физики наблюдали поведение, которое было предсказано исследователями и которое соответствует стандартной модели физики элементарных частиц, при распаде частиц, называемых D-мезонами, в эксперименте LHCb в ЦЕРН, европейской лаборатории физики элементарных частиц недалеко от Женевы, Швейцария.

Открытие раскрывает один небольшой механизм, который способствует тому, что материи больше, чем антиматерии — зеркальные отражения частиц материи с противоположным зарядом — во Вселенной. Понимание дисбаланса — одна из самых насущных загадок в физике, потому что она объясняет, почему существует материя. Если бы в ранней Вселенной материя и антиматерия существовали в равных частях, они аннигилировали бы друг друга, не оставив ничего, кроме излучения.

Гонка за раскрытием секретов антивещества

Эффект поведения D-мезонов слишком мал, чтобы полностью объяснить доминирование материи, но он открывает новый путь к разгадке проблемы, говорит Оля Игонкина, физик элементарных частиц из Голландского национального института субатомной физики в Амстердаме. который работает над экспериментом CERN ATLAS. По ее словам, это открытие дает физикам еще неизведанное место для поиска отклонений от стандартной модели, что в конечном итоге может объяснить несоответствие.

В краткосрочной перспективе открытие также поможет теоретикам лучше понять механизм такого поведения D-мезонов и подобных частиц — это единственный лабораторный пример того, как природа «выбирает» материю, а не антиматерию, которую физики смогли подтвердить.

Открытие было встречено аплодисментами и шампанским, когда коллаборация LHCb представила его 21 марта на конференции Rencontres de Moriond в Ла Туиле, Италия.

Очаровательное открытие

Физикам давно известно, что определенные взаимодействия между частицами создают различия в поведении частиц материи и их аналогов из антиматерии. Это явление, создающее дисбаланс материи и антиматерии, известно как СР-нарушение.

С 1960-х годов физики обнаруживали CP-нарушение в частицах, называемых каонами, и в B-мезонах, каждая из которых состоит из двух кварковых частиц, — наблюдения, которые способствовали работе, получившей Нобелевские премии по физике в 1980 и 2008 годах.

Но до сих пор СР-нарушение не наблюдалось в частицах, обладающих «очаровательным» ароматом кварка, таких как D-мезон. «Наблюдение за тем, что чарующие мезоны материи и антиматерии ведут себя по-разному, позволяет использовать измерения для учебников», — говорит Тара Ширс, физик элементарных частиц из Ливерпульского университета, Великобритания, и член команды LHCb.