Содержание
Не все частицы и античастицы можно разделить на материю и антиматерию / Хабр
Чем меньшие масштабы мы изучаем, тем более фундаментальные знания о природе нам открываются. Если бы мы могли понять и описать самые мелкие из существующих объектов, мы могли бы построить на этой основе понимание крупных. Однако мы не знаем, существует ли предел минимизации пространства.
В нашей Вселенной существуют правила, нарушения которых мы ещё ни разу не наблюдали. Мы ожидаем, что некоторые из них никогда не нарушались. Ничто не может двигаться быстрее света. При взаимодействии двух квантов энергия всегда сохраняется. Нельзя создать или уничтожить импульс и угловой момент. И так далее. Но некоторые из этих правил, хотя мы этого и не видели, в какой-то момент прошлого должны были нарушиться.
Одно из них – симметрия материи и антиматерии. Каждое взаимодействие, в котором рождаются или уничтожаются частицы материи, уничтожает или порождает равное количество их двойников из мира антиматерии – античастицы.
Учитывая, что наша Вселенная почти полностью состоит из материи, и почти не содержит антиматерии (нет никаких звёзд, галактик или стабильных космических структур, состоящих из антиматерии), эта симметрия, очевидно, была нарушена в прошлом. Однако как именно это произошло, остаётся тайной. Загадка асимметрии материи/антиматерии остаётся одним из величайших открытых вопросов физики.
Кроме того, мы обычно говорим «частицы», подразумевая составные части материи, и «античастицы», подразумевая составные части антиматерии, однако это не совсем верно. Частицы – не всегда материя, а античастицы – не всегда антиматерия. Вот, что говорит наука по поводу этой контринтуитивной ситуации.
От макроскопических до субатомных масштабов, размеры фундаментальных частиц играют небольшую роль в определении размеров композитных структур. Пока неизвестно, являются ли эти строительные кирпичики по-настоящему фундаментальными и точечными частицами, но мы понимаем, как устроена Вселенная от больших, космических масштабов до мелких, субатомных.
В человеческом теле содержится порядка 1028 атомов.
Представляя себе материалы, которые можно найти на Земле, вы, наверно, будете считать, что 100% их состоит из материи. Примерно так и есть – практически вся наша планета состоит из материи. Она же состоит из протонов, нейтронов и электронов – и всё это частицы материи. Протоны и нейтроны – составные частицы, состоящие из верхних и нижних кварков, связывающихся при помощи глюонов, и формирующих ядра атомов. К этим ядрам привязаны электроны – так, что общий электрический заряд атома равен нулю, а электроны связаны с ядрами электромагнитным взаимодействием, передающимся при помощи обмена фотонами.
Однако периодически одна из частиц в атомном ядре претерпевает радиоактивный распад. Типичный пример – бета-распад. Один из нейтронов превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино. Изучив свойства различных частиц и античастиц, участвующих в этом распаде, можно многое узнать о Вселенной.
Схематичное изображение ядерного бета-распада в массивном атомном ядре.
Бета-распад работает при помощи слабых взаимодействий, превращая нейтрон в протон, электрон и электронное антинейтрино. До открытия нейтрино казалось, что в бета-распадах не сохраняется энергия и импульс.
Нейтрон, с которого мы начали, имеет следующие свойства:
- Он электрически нейтрален, общий его заряд равен нулю.
- Он состоит из трёх кварков – двух нижних (с электрическими зарядами по -1/3) и одного верхнего (с электрическим зарядом 2/3).
- В нём содержится около 939 МэВ энергии в виде массы покоя.
У частиц, на которые он распадается — протона, электрона и электронного антинейтрино – тоже есть свои уникальные свойства.
- Электрический заряд протона +1, он состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, и в нём содержится около 938 МэВ энергии в массе покоя.
- Электрический заряд электрона равен -1, это фундаментально невидимая частица, и в ней хранится около 0,5 МэВ энергии в массе покоя.
- У электронного антинейтрино нет электрического заряда, это фундаментально невидимая частица, её масса покоя неизвестна (но больше нуля), и в ней хранится не более 0,0000001 МэВ энергии.
Все обязательные законы сохранения никуда не делись. Энергия сохраняется, а небольшой запас «лишней» энергии нейтрона превращается в кинетическую энергию получающихся частиц. Импульс сохраняется, и сумма импульсов получившихся частиц всегда равняется начальному моменту нейтрона. Однако нам хочется не только изучить, с чего мы начали, и чем закончили – мы хотим знать, как это произошло.
Свободные нейтроны нестабильны. Период полураспада у них составляет 10,3 минуты, и распадаются они на протоны, электроны и электронные антинейтрино. Если поменять нейтрон на антинейтрон, то все частицы поменяются на соответствующие античастицы. Материю заменит антиматерия, а антиматерию – материя.
Согласно квантовой теории, для распада необходима управляющая им частица.
В квантовой теории слабых взаимодействий, описывающей данный процесс, этим занимается W— бозон, играющий роль одного из нижних кварков нейтрона. Посмотрим, что происходит с фундаментальными частицами.
Один из нижних кварков в нейтроне испускает виртуальный W— бозон, из-за чего превращается в верхний кварк. В данном взаимодействии количество кварков сохраняется.
Виртуальный W— бозон может распасться на много различных частиц, однако этот процесс ограничивает закон сохранения энергии. Его конечные продукты распада не должны иметь больше энергии, чем разница в массе покоя между нейтроном и протоном.
Поэтому по большей части в распаде рождается электрон (чтобы унести отрицательный заряд) и электронное антинейтрино. В редких случаях можно увидеть радиационный распад, в результате которого получается дополнительный фотон. В принципе, можно заставить W— бозон распадаться на комбинацию из кварков и антикварков (к примеру, из нижнего и антиверхнего), однако для этого требуется слишком много энергии – больше, чем получается при распаде нейтрона до протона.
При нормальных условиях низких энергий свободный нейтрон распадётся на протон посредством слабого взаимодействия – в этом случае на диаграмме время увеличивается вверх. При достаточно больших энергиях эта реакция может пойти в обратную сторону. Протон и позитрон или нейтрино могут провзаимодействовать, выдав нейтрон – то есть, при взаимодействии протона с протоном может появиться дейтрон. Так работает первый, критически важный шаг синтеза в Солнце.
Теперь давайте перевернём всё зеркально, перейдя от материи к антиматерии. Вместо распада нейтрона представим распад антинейтрона. Свойства антинейтрона очень похожи на свойства нейтрона, упомянутые ранее, но есть и важные отличия:
- Он электрически нейтрален, его общий заряд равен нулю.
- Он состоит из трёх антикварков – двух антинижних (с зарядами +1/3) и одного антиверхнего (с зарядом -2/3).
- Он содержит 939 МэВ энергии в виде массы покоя.
Переходя от материи к антиматерии, мы просто заменили все частицы на их двойники из антиматерии.
Массы остались теми же, состав (с учётом приставки «анти») остался тем же, а электрический заряд сменился на противоположный. И хотя нейтрон и антинейтрон электрически нейтральны, заряд у их компонентов поменялся.
И это, кстати, можно измерить! Хотя заряд нейтрален, у нейтрона есть т.н. магнитный момент, для которого нужны и спин, и электрический заряд. Мы смогли измерить его магнитный момент – он равен -1,91 магнетонам Бора. Магнитный момент антинейтрона равен +1,91 магнетонам Бора. Вся его заряженная начинка должна быть противоположной у материи и антиматерии.
Благодаря экспериментам и новым теоретическим изысканиям мы стали лучше разбираться во внутренней структуре нуклонов, протонов и нейтронов, включая то, как распределяется «море» из кварков и глюонов. Исследования позволяют объяснить большую часть массы барионов, а также их нетривиальные магнитные моменты.
При распаде антинижний кварк испускает W+ бозон, двойника W— бозона из антиматерии, что превращает антинижний кварк в антиверхний.
Бозон W+, как и прежде, виртуальный – его нельзя наблюдать, а для создания «реального» бозона не хватает массы/энергии. Однако продукты его распада видны – позитрон и электронное нейтрино. (Да, радиационные эффекты тоже могут проявиться – в редких случаях один или несколько фотонов добавляются к продуктам распада). Всё получается зеркальным отображением предыдущего варианта, каждая частица материи меняется на двойника из антиматерии, а частицы антиматерии (типа электронных антинейтрино) – наоборот.
Что касается материалов, которые можно найти на Земле, то почти все они состоят из материи — протонов, нейтронов и электронов. Малая часть этих нейтронов распадается, а значит, у нас также есть W— бозоны, дополнительные протоны и электроны (и фотоны), а также немного электронных антинейтрино. Всё, что мы знаем, хорошо описывает Стандартная модель, и для описания всего хватает частиц и античастиц.
[кликабельно] Стандартная модель помогает нам определить, какие частицы существуют в реальности, и какие для каждой из них есть античастицы.
И хотя Вселенная в основном состоит из материи, и имеет лишь следовые включения антиматерии, не каждую её частицу можно отнести только либо к материи, либо к антиматерии.
Мы могли бы заменить Землю «анти-Землёй», антиматериальной версией себя. Тогда мы бы просто заменили каждую частицу на соответствующую ей античастицу. Вместо протонов и нейтронов (состоящих из кварков и глюонов) у нас были бы антипротоны и антинейтроны (состоящие из антикварков, но с теми же 8 глюонами). Вместо распада нейтронов посредством W— бозона был бы распад антинейтрона посредством W+ бозона. Вместо получения электрона и электронного антинейтрино (и иногда фотона), мы бы получали позитрон и электронное нейтрино (и иногда фотон).
Нормальная материя Вселенной состоит из кварков и лептонов. Из кварков состоят протоны и нейтроны (и в целом барионы), а в лептоны входят электроны и их более тяжёлые родственники, а также три обычных нейтрино. С обратной стороны существуют античастицы, из которых состоит антиматерия – антикварки и антилептоны.
Хотя обычные распады идут разными путями с участием бозонов W— и W+, существует небольшое количество антиматерии в виде позитронов и электронных антинейтрино. Это было бы так, даже если бы мы сумели каким-то образом «избавиться» от всей внешней Вселенной, включая Солнце, космические лучи и другие источники частиц и энергии.
Частицы и античастицы Стандартной модели, существование которых предсказывают законы физики. Кварки и лептоны – это фермионы и материя. Антикварки и антилептоны – это антифермионы и антиматерия. Однако бозоны – это не материя и не антиматерия.
Но что насчёт остальных частиц и античастиц? Говоря о материи и антиматерии, мы говорим только о фермионах – кварках и лептонах. Однако существуют ещё и бозоны:
- 1 фотон, посредник в электромагнитном излучении.
- 8 глюонов, посредники в сильном ядерном взаимодействии.
- 3 слабых бозона, W+, W— и Z0, посредники в слабом взаимодействии и слабых распадах, а также бозон Хиггса, отличающийся от всех остальных.
Некоторые из частиц являются античастицами сами для себя – фотон, Z0 и бозон Хиггса. W+ — античастица для W—, а три пары глюонов явно являются античастицами друг для друга (с четвёртой парой всё немного сложнее).
Если столкнуть частицу с её античастицей, они аннигилируют, и могут выдать всё, на что хватит энергии, с учётом всех квантовых законов сохранения – энергии, импульса, углового момента, электрического заряда, барионного числа, лептонного числа, номера семейства лептонов, и т.д. Это верно и для частиц, являющихся античастицами для самих себя.
Равносимметричная коллекция бозонов материи и антиматерии (X и Y, и анти-X с анти-Y) с правильными свойствами GUT могла бы породить асимметрию материи и антиматерии, которую мы сегодня наблюдаем во Вселенной.
Примечательно тут то, как появляется идея противостояния «материи» и «антиматерии». Если у вас положительное барионное или лептонное число, вы материя.
Если отрицательное, вы антиматерия. А если у вас нет барионного или лептонного числа – вы ни материя, ни антиматерия! Хотя частиц есть два типа – фермионы (кварки и лептоны) и бозоны (всё остальное) – в нашей Вселенной только фермионы могут быть материей или антиматерией.
Если нейтрино окажутся майорановскими фермионами, теорию придётся пересмотреть – ведь майорановские фермионы могут быть античастицами для самих себя.
Значит, составные частицы, типа пионов или других мезонов, состоящие из комбинаций кварков и антикварков, не относятся ни к материи, ни к антиматерии – они состоят и из того, и из другого. Позитроний – связанные вместе электрон и позитрон, тоже не относится ни к материи, ни к антиматерии. Если существуют лептокварки или сверхтяжёлые X или Y бозоны из теорий великого объединения, то они будут примером частиц, обладающих одновременно барионным и лептонным числом – для них будут варианты как из материи, так и из антиматерии. Если бы теория суперсимметрии была верной, у нас были бы фермионные двойники фотонов – фотино – не относящиеся ни к материи, ни к антиматерии.
У нас могли бы быть даже суперсимметричные бозоны – скварки – и тогда их варианты частиц и античастиц делились бы на материю и антиматерию.
Частицы Стандартной Модели и их суперсимметричные двойники. Из них нашли чуть меньше половины, а свидетельств существования остальных пока никто не видел. Суперсимметрия должна улучшить Стандартную Модель, но пока ещё не сделала ни одного успешного предсказания.
Очень просто было бы считать, что во Вселенной есть материя, состоящая из частиц, и антиматерия, состоящая из их двойников-античастиц. Частично это так – большинство частиц Вселенной состоит из того, что мы считаем материей. Если мы заменим их все на антиматерию, получится то, что мы считаем антиматерией. Это так для всех кварков (с барионным числом +1/3), лептонов (с лептонным числом +1), антикварков (с барионным числом -1/3) и антилептонов (с лептонным числом -1).
Но всё остальное – все бозоны, не имеющие барионных и лептонных чисел, все композитные частицы, суммарные барионные и лептонные числа которых равны нулю, находятся в промежуточной области, не принадлежа ни к материи, ни к антиматерии.
В таком случае нельзя один их тип отнести к частице, а другой – к античастице. Да, W+ и W— могут аннигилировать, как частица/античастица, однако их нельзя разделить на материю и антиматерию, как и все остальные бозоны. Они, так сказать, не могут претендовать на такой статус. Нет смысла спрашивать, какой из них – материя, а какой – антиматерия. Друг для друга они являются частицей и античастицей, но ни у одного из них нет свойств, характерных для материи или антиматерии.
Ученые приблизились к пониманию того, почему антиматерии во Вселенной меньше, чем материи
Наша крохотная голубая планета, как известно, вращается вокруг Солнца, которое, в свою очередь, движется со скоростью около 220-250 километров в секунду вокруг галактического центра – сверхмассивной черной дыры Sagittarius A*. За пределами нашей Галактики находятся звездные системы – они кажутся нам отсюда, с Земли, крохотными туманными пятнышками. Если двигаться все дальше и дальше от Млечного Пути, за пределы наблюдаемой Вселенной, мы увидим войды и галактические нити, что составляют космическую паутину.
Наша Вселенная изумительна – она порождает больше вопросов, чем ответов, позволяя нам строить самые разные предположения о ее устройстве. Но что мы действительно знаем о ней? По крайней мере о той ее части, что ученые называют наблюдаемой Вселенной? Если законы физики симметричны, как мы думаем, то Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в одинаковом количестве. Но почему, в таком случае, ученые наблюдают обратную картину?
Почему во Вселенной было больше материи, чем антиматерии? Ответ, по мнению физиков, может скрываться в частицах нейтрино
Материя и антиматерия
Большой взрыв должен был создать равное количество материи и антиматерии в ранней Вселенной. Но сегодня все, что мы видим, от мельчайших форм жизни на Земле до крупнейших звездных объектов, почти полностью состоит из материи. А вот обнаружить антиматерию невероятно трудно. Более того, одна из величайших задач физики –выяснить, что случилось с антиматерией и почему мы видим асимметрию между материей и антиматерией.
Как пишут исследователи из ЦЕРН, частицы антиматерии (или антивещества) имеют ту же массу, что и их аналоги из материи, но такие качества, как электрический заряд, противоположны. Положительно заряженный позитрон, например, является античастицей отрицательно заряженного электрона.
Частицы материи и антиматерии должны присутствовать во Вселенной в равном количестве. Но этого не происходит.
Читайте также: Ученые считают, что темная материя может скрываться в дополнительном измерении
Частицы материи и антивещества всегда образуются как пара и, если они соприкасаются, то аннигилируют друг с другом, оставляя после себя чистую энергию. В течение первых долей секунды Большого Взрыва горячая и плотная Вселенная гудела от пар частица-античастица, которые постоянно появлялись и исчезали. Если материя и антивещество рождаются и погибают вместе, кажется, что Вселенная не должна содержать ничего, кроме остатков энергии.
Тем не менее, крошечной части материи – примерно одной частице на миллиард – удалось выжить.
Это то, что мы видим сегодня. Интересно, что в последние несколько десятилетий эксперименты по физике элементарных частиц показали, что законы природы не в равной степени применимы к материи и антивеществу.
Исследователи из ЦЕРН трудятся не покладая рук, пытаясь разгадать тайны Вселенной.
Теперь же, как пишут авторы нового исследования, «у нас есть возможность измерить эти нарушения симметрии, используя тяжелые радиоактивные молекулы, которые обладают чрезвычайной чувствительностью к ядерным явлениям, которые мы не можем увидеть в других молекулах в природе».
Речь, как вы уже могли догадаться, идет о нейтронах – тяжелые элементарные частицы, которые не оказывают большого влияния на молекулу, будучи в одну миллионную ее размера и одновременно являясь ее частью.
Большинство атомов в природе содержат симметричное сферическое ядро, в котором равномерно распределены нейтроны и протоны. Но в некоторых радиоактивных элементах, таких как радий, атомные ядра имеют странную грушевидную форму с неравномерным распределением нейтронов и протонов внутри.
Физики выдвигают гипотезу, что это искажение формы может усилить нарушение симметрии, которое привело к возникновению материи во Вселенной.
Еще больше увлекательных статей о том, как физики разгадывают величайшие тайны Вселенной читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Сколько во Вселенной антиматерии?
В мае этого года физики из Массачусетского технологического института сделали несколько удивительных открытий на основе очень маленькой радиоактивной молекулы, которая была создана в ускорителе частиц в ЦЕРН. Исследователи полагают, что при достаточно тщательном изучении эти новые типы радиоактивных молекул могли бы пролить некоторый свет на то, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.
Радиоактивные молекулы могут показаться странным местом для начала поиска ответа на один из фундаментальных вопросов, который поставил в тупик современную физику. Но это не обычные радиоактивные молекулы – они существуют только в слияниях нейтронных звезд или сверхновых.
По сути, эти молекулы были впервые созданы здесь, на Земле.
Вселенная устроена сложнее, чем мы можем себе представить.
Что делает их интересными, так это их количество нейтронов. Физики смогли измерить влияние нейтрона на энергию его молекулы. Что, кстати, само по себе является научным прорывом (и невероятно сложной работой).
Во-первых, исследователи должны были создать новую молекулу. Особенно их интересовал монофлурид радия (RaF) – нестабильная радиоактивная молекула, которая существует всего несколько секунд после создания.
Это интересно: Узнаем ли мы когда-нибудь как появилась Вселенная?
Как пишет Universe Today со ссылкой на исследование, после успешного создания подобных нестабильных молекул впервые в прошлом году, физики обратили внимание на различные изотопы, что находятся в их составе.
Полученные результаты показали, что рассматриваемые изотопы содержали разное количество нейтронов. Чтобы создать их, ученые разработали диск из карбида урана и фтористого углерода.
После того, как его ударили низкоэнергетическим протонным пучком в ускорителе частиц в ЦЕРН, исследователи выпустили настоящий зоопарк новых молекул, в том числе 5 различных изотопов RaF.
Молекулы, содержащие тяжелые и деформированные радиоактивные ядра, могут помочь ученым измерить явления, нарушающие симметрию, и выявить признаки темной материи.
Чтобы захватить эти короткоживущие изотопы, физики использовали серию ионных ловушек – лазеров и электромагнитных полей – для их изоляции. Затем они измерили массу каждой из 5 молекул, чтобы оценить, сколько в ней содержится нейтронов. После этого еще один лазерный луч измерил квантовое состояние каждой молекулы. Удивительно, но разница в одном нейтроне может оказать измеримое влияние на общее квантовое энергетическое состояние молекулы, в которой находится.
Не пропустите: Почему наша Вселенная такая странная и существуют ли законы физики?
Величайшие тайны Вселенной
Радиоактивные молекулы состоят по меньшей мере из одного радиоактивного атома, связанного с одним или несколькими другими атомами.
Каждый атом окружен облаком электронов, которые вместе создают в молекуле чрезвычайно высокое электрическое поле, которое, по мнению физиков, может усилить тонкие ядерные эффекты, такие как эффекты нарушения симметрии. Однако, помимо определенных астрофизических процессов, таких как слияние нейтронных звезд и звездных взрывов, эти радиоактивные молекулы не существуют в природе и поэтому должны быть созданы искусственно.
Таким образом, полученные в ходе недавнего исследования результаты показали, что радиоактивные молекулы, такие как RaF, сверхчувствительны к ядерным воздействиям. Их чувствительность, вероятно, может выявить более тонкие, невиданные ранее эффекты, такие как крошечные ядерные свойства, нарушающие симметрию, которые могли бы помочь объяснить расхождение между количеством материи и антиматерии во Вселенной.
Новые исследования показывают, что радиоактивные молекулы чувствительны к тонким ядерным явлениям.
Вам будет интересно: Ученые приблизились к пониманию того, почему существует Вселенная
Важно понимать, что новое открытие, каким бы сложным оно нам не казалось, может оказаться ключом к разгадке тайны не только материи и антиматерии, но и темной энергии.
И все же, физикам предстоит проделать большую работу. Но кто знает, может быть, ускоритель частиц большего размера и правда поможет им ответить на фундаментальные вопросы о Вселенной?
Ученые: гравитационные волны могут объяснить, куда пропало антивещество во Вселенной — Газета.Ru
Ученые: гравитационные волны могут объяснить, куда пропало антивещество во Вселенной — Газета.Ru | Новости
close
100%
Наблюдаемая барионная асимметрия Вселенной, при которой обычная материя явно доминирует над антиматерией, может быть следствием изначальной фрагментации Вселенной на области, заполненные разными типами вещества, ставшими затем недоступными для наблюдений — ушедшими за «горизонт событий» сразу после периода первоначальной инфляции — раздувания Вселенной. Проверить это предположение теоретики из США и Японии предложили с помощью анализа гравитационных волн, в которых должны остаться следы Q-шаров, сгустков большого количества бозонов, устойчивых к разделению на более мелкие сгустки, так как они являются наиболее энергетически выгодной конфигурацией для определенного количества частиц.
Статья об этом опубликована в журнале Physical Review Letters.
Причина существования привычного мира (или наблюдаемой части мира) заключается в том, что в первые доли секунды существования Вселенной каким-то образом было произведено чуть больше вещества, чем антивещества. Эта асимметрия вещества и антивещества была настолько ничтожной, что лишь одна дополнительная частица материи производилась на десять миллиардов пар частиц материи и антиматерии. Проблема в том, что, хотя эта асимметрия и невелика, современные физические теории не могут объяснить, откуда она все-таки проявилась. Фактически стандартные теории говорят лишь о том, что материя и антиматерия должны были возникать в абсолютно равных количествах, однако существование людей, Земли и всего прочего во Вселенной доказывает, что действовал какой-то дополнительный фактор еще неоткрытой физики.
В настоящее время многие исследователи разделяют популярную идею о том, что эта асимметрия возникла сразу после инфляции — периода ранней Вселенной, при которой происходило очень быстрое расширение самого пространства со сверхсветовыми скоростями.
Какие-то сгустки поля могли в этот момент оказаться за «горизонтом событий», и тогда фрагментация доставшейся человечеству части Вселенной произошла с сохранением именно наблюдаемой асимметрии. Однако проверить напрямую эту теорию чрезвычайно сложно даже с использованием крупнейших современных ускорителей элементарных частиц, поскольку задействованная энергия в миллиарды или триллионы раз превышает то, что можно воспроизвести на Земле.
Теперь группа исследователей из Японии и США, включая Грэма Уайта, исследователя из японского Физико-математического института имени Кавли, и Александра Кусенко, профессора физики и астрономии из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, предложила новый способ проверить это предложение, используя капли поля, известные как Q-шары. В какой-то момент расширения Вселенной большая часть ее энергии должна была сосредоточиться в этих сгустках Q-шаров, а когда Q-шары распадались, это происходило настолько внезапно и быстро, что флуктуации в плазме превращались в мощные звуковые волны, которые приводили к сильным колебаниям в пространстве и времени, сохранившимся в гравитационных волнах.
Эти волны, для которых Вселенная оставалась полностью прозрачна с самого начала своего существования, до сих пор можно еще обнаружить. По расчетам исследователей, эти гравитационные волны должны обладать достаточно большой амплитудой и достаточно низкой частотой для того, чтобы их можно было зарегистрировать обычными детекторами гравитационных волн.
Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Новости
Дзен
Telegram
Дмитрий Воденников
Люди с особо чувствительной кожей
О писателе, который построил лабиринт
Дмитрий Самойлов
Дым рассеется
Об ожесточенных дискуссиях в сети
Марина Ярдаева
Не оставляй меня, любимый
О противоречивой женской реакции на мобилизацию
Виталий Тузов
Приумножить и не потерять
О том, во что вложиться этой осенью
Алексей Мухин
Не бейте!
О том, почему ядерный конфликт невозможен
Найдена ошибка?
Закрыть
Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.
Продолжить чтение
Открытие
проливает свет на великую тайну того, почему во Вселенной меньше «антиматерии», чем материи
Это одна из величайших загадок в физике. Все частицы, из которых состоит окружающая нас материя, такие как электроны и протоны, имеют почти идентичные версии антиматерии, но с зеркальными свойствами, такими как противоположный электрический заряд. Когда антиматерия и частица материи встречаются, они аннигилируют во вспышке энергии.
Если антиматерия и материя действительно идентичны, но являются зеркальными копиями друг друга, они должны были быть произведены в равных количествах во время Большого взрыва.
Проблема в том, что это привело бы к полному уничтожению. Но сегодня во Вселенной почти не осталось антиматерии — она появляется только в некоторых радиоактивных распадах и в небольшой доле космических лучей. Так что же с ним случилось? Используя эксперимент LHCb в ЦЕРНе для изучения разницы между материей и антиматерией, мы обнаружили новый способ проявления этой разницы.
Существование антивещества было предсказано уравнением физика Поля Дирака, описывающим движение электронов в 1928 году. Сначала было неясно, было ли это просто математической причудой или описанием реальной частицы. Но в 1932 году Карл Андерсон обнаружил антиматерию, напарника электрона — позитрон — при изучении космических лучей, падающих на Землю из космоса. В течение следующих нескольких десятилетий физики обнаружили, что у всех частиц материи есть партнеры из антиматерии.
Ученые считают, что в очень горячем и плотном состоянии вскоре после Большого взрыва должны были происходить процессы, которые отдавали предпочтение материи антиматерии.
Это создало небольшой избыток материи, и по мере охлаждения Вселенной вся антиматерия была уничтожена или аннигилирована равным количеством материи, оставив крошечный избыток материи. И именно этот излишек составляет все, что мы видим сегодня во Вселенной.
Какие именно процессы вызвали избыток, неясно, и физики десятилетиями находились в поиске.
Известная асимметрия
Поведение кварков, которые наряду с лептонами являются фундаментальными строительными блоками материи, может пролить свет на разницу между материей и антиматерией. Кварки бывают разных видов или «ароматов», известных как верхние, нижние, прелестные, странные, нижние и верхние плюс шесть соответствующих антикварков.
Верхние и нижние кварки — это то, из чего состоят протоны и нейтроны в ядрах обычной материи, а другие кварки могут образовываться в результате высокоэнергетических процессов, например, при столкновении частиц в ускорителях, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе. .
Частицы, состоящие из кварка и антикварка, называются мезонами, и существует четыре нейтральных мезона (B 0 S , B 0 , D 0 и K 0 ), которые демонстрируют захватывающую поведение.
Они могут спонтанно превращаться в своего партнера-античастицу, а затем обратно — явление, которое впервые наблюдалось в 1960-х годах. Поскольку они нестабильны, они «распадутся» — развалятся — на другие более стабильные частицы в какой-то момент своего существования. колебание. Этот распад происходит немного иначе для мезонов по сравнению с антимезонами, что в сочетании с осцилляциями означает, что скорость распада меняется со временем.
Правила для колебаний и затухания задаются теоретической основой, называемой механизмом Кабиббо-Кобаяши-Маскавы (СКМ). Он предсказывает, что существует разница в поведении материи и антиматерии, но она слишком мала, чтобы создать избыток материи в ранней Вселенной, необходимый для объяснения изобилия, которое мы наблюдаем сегодня.
Это указывает на то, что мы чего-то не понимаем и что изучение этой темы может поставить под сомнение некоторые из наших самых фундаментальных теорий в физике.
Новая физика?
Наш недавний результат эксперимента LHCb — это исследование нейтральных мезонов B 0 S с точки зрения их распада на пары заряженных K-мезонов.
Мезоны B 0 S были созданы в результате столкновения протонов с другими протонами в Большом адронном коллайдере, где они колебались в своем антимезоне и обратно три триллиона раз в секунду. Столкновения также создали мезоны анти-B 0 S , которые колеблются таким же образом, что дает нам образцы мезонов и антимезонов, которые можно сравнивать.
Мы подсчитали количество распадов для двух образцов и сравнили два числа, чтобы увидеть, как эта разница менялась по мере распространения колебаний. Была небольшая разница – с одним из мезонов B 0 S произошло больше распадов. И впервые за
В 0 S мезонах мы заметили, что разница в распаде, или асимметрия, меняется в соответствии с колебаниями между В 0 S мезоном и антимезоном.
LHCb.
Максимилиан Брис и др./ЦЕРН
Помимо того, что это стало важной вехой в изучении различий между материей и антиматерией, мы также смогли измерить размер асимметрии.
Это может быть переведено в измерения нескольких параметров лежащей в основе теории. Сравнение результатов с другими измерениями обеспечивает проверку согласованности, чтобы увидеть, является ли принятая в настоящее время теория правильным описанием природы. Поскольку незначительное предпочтение материи над антиматерией, которое мы наблюдаем в микроскопическом масштабе, не может объяснить подавляющее изобилие материи, которое мы наблюдаем во Вселенной, вполне вероятно, что наше нынешнее понимание является приближением к более фундаментальной теории.
Исследование этого механизма, который, как мы знаем, может генерировать асимметрию материи и антиматерии, исследуя его под разными углами, может сказать нам, в чем заключается проблема. Изучение мира в наименьшем масштабе — это наш лучший шанс понять то, что мы видим в наибольшем масштабе.
Крупнейшая асимметрия вещества и антивещества, наблюдаемая на Большом адронном коллайдере
ТЕМЫ: АнтиматерияЦЕРНБольшой адронный коллайдерФизика элементарных частиц
Автор: Петр Трачик, ЦЕРН
24 марта 2022 г.
Новые результаты эксперимента LHCb по СР-асимметрии в трехчастичных распадах заряженных В-мезонов без очарования включают самую большую из когда-либо наблюдавшихся СР-асимметрию.
СР-асимметрия — единственное обнаруженное нетривиальное различие между материей и антиматерией. Его открытие в распаде нейтральных каонов в 1964 году стало большим сюрпризом для физического сообщества, но сегодня он является важным компонентом Стандартной модели физики элементарных частиц. Без CP-асимметрии Большой взрыв создал бы равное количество материи и антиматерии, которые затем все аннигилировали, оставив после себя пустую Вселенную, наполненную излучением. Чтобы создать Вселенную с преобладанием материи, подобную той, в которой мы живем, должен был образоваться избыток материи, который пережил это уничтожение. Но чтобы произвести такой избыток, должна присутствовать какая-то разница между материей и антиматерией: войти в СР-асимметрию. К сожалению, количество CP-асимметрии, присутствующее в Стандартной модели физики элементарных частиц, недостаточно для объяснения наблюдаемого состава Вселенной, что приводит к обширным исследованиям этого явления и поискам других источников CP-асимметрии.
На прошлой неделе на конференции Rencontres de Moriond Electroweak и во время семинара в ЦЕРН
ЦЕРН, основанный в 1954 г. лаборатория физики элементарных частиц в мире. Его полное название — Европейская организация ядерных исследований (фр.: Organization européenne pour la recherche nucléaire), а аббревиатура ЦЕРН происходит от французского Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire.
» data-gt-translate-attributes='[{«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»}]’>ЦЕРН, коллаборация Большого адронного коллайдера (LHCb), представила новые результаты исследований CP-асимметрии в трехчастичных распадах заряженных B-мезонов без очарования. В этих распадах заряженный B-мезон, состоящий из бьюти-кварка и ап-кварка, превращается в комбинацию p- и K-мезонов. отсутствие очарованных кварков в конечном состоянии: p ± мезонов (пионов) содержат только верхние и нижние кварки, а K ± мезонов (каонов) содержат странный и ап-кварк.
Бесчармовые распады включают в себя превращение красивого кварка в ап-кварк, что маловероятно, поскольку красивый кварк преимущественно распадается на очарованный кварк. Ожидается, что в этом редком процессе эффекты нарушения CP будут усиливаться.
Детектор LHCb в 2018 году был открыт для обширных обновлений во время LHC Long Shutdown 2. Предоставлено: CERN
для античастицы. Наиболее сильная глобальная асимметрия наблюдалась для распада на два каона и один пион, где вероятность B + ?p + K + K – распад примерно на 20 % выше, чем для B – ?p – K + K – , соответствующий измеренной асимметрии распада А СР -0,114). Также впервые наблюдалась глобальная СР-асимметрия со значимостью более пяти стандартных отклонений в распадах на три пиона и на три каона. Для конечного состояния с двумя пионами и одним каоном СР-нарушение еще не подтверждено.
Конечное состояние трех частиц можно, однако, изучить дополнительно, чтобы извлечь больше информации.
Процесс превращения В-мезона в три частицы может происходить в несколько стадий, при этом образуются промежуточные короткоживущие частицы («резонансы»), которые впоследствии распадаются на пионы и каоны, наблюдаемые в конечном состоянии. Эти процессы могут вносить различный вклад в CP-асимметрию и могут быть распутаны путем учета импульсов частиц в конечном состоянии в так называемом «анализе фазового пространства». Одним из впечатляющих результатов такого анализа является указание на ? hc 0 мезон (содержащий кварковую пару очарование-антиочарование), образующийся в процессе B?ppp-распада. ? hc 0 , как ожидается, не будет способствовать нарушению CP, но результаты показывают наличие значительной асимметрии. Фактически, подмножество данных, содержащих ? hc 0 событий характеризуется самой высокой из когда-либо наблюдавшихся CP-асимметрий: вклад мезона B – в этот процесс почти в 7 раз больше, чем его B + 9Аналог 0020, как видно на графике ниже.
Инвариантная масса конечного состояния трех пионов в заданной области фазового пространства. Четкий сигнал от кандидатов B- (левый график) и B+ (правый график) виден в виде пика при 5,28 ГэВ/c2. Разница в высоте этих двух пиков соответствует СР-асимметрии в исследуемой области. Авторы и права: CERN
Представленные результаты дают важные сведения о механизме генерации CP-асимметрии в Стандартной модели, который еще полностью не изучен. Еще более подробные исследования будут проведены в предстоящем третьем запуске LHC с использованием недавно модернизированного детектора LHCb.
Могут ли нейтрино объяснить, что не так с антивеществом?
Главный инжектор — мощный ускоритель частиц в Фермилабе недалеко от Чикаго. Это также источник нейтринных пучков с самой высокой энергией в мире, которые будут использоваться в Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), международном флагманском нейтринном эксперименте с участием исследователей из Пенсильвании.
(Изображение: Питер Гинтер/Fermilab)
В физике антиматерия — это просто «противоположность» материи. Частицы антивещества имеют ту же массу, что и их аналоги, но с другими свойствами; например, протоны в веществе имеют положительный заряд, а антипротоны — отрицательный. Антиматерию можно создать в лаборатории с помощью столкновений высокоэнергетических частиц, но эти события почти всегда создают равные части как антиматерии, так и материи, и когда две противоположные частицы вступают в контакт друг с другом, обе разрушаются мощной волной чистой энергии. .
Что озадачивает физиков, так это то, что почти все во Вселенной, включая людей, состоит из материи, а не из равных частей материи и антиматерии. В поисках идей, которые могли бы объяснить, что мешало Вселенной создать отдельные галактики из материи и антиматерии или взорваться в небытие, исследователи обнаружили некоторые доказательства того, что ответ может скрываться в очень распространенных, но плохо изученных частицах, известных как нейтрино.
Группа исследователей под руководством Кристофера Могера опубликовала результаты первой серии экспериментов, которые могут помочь ответить на эти и другие вопросы фундаментальной физики. В рамках программы «Криогенная установка для прецизионных испытаний взаимодействия аргона с нейтрино» (CAPTAIN) их результаты, опубликованные в0147 Physical Review Letters , являются важным первым шагом к созданию Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), экспериментальной установки для изучения нейтрино и физики элементарных частиц.
Внешние конструкции (красные) для двух прототипов детекторов DUNE, которые в настоящее время проходят оценку в ЦЕРН. (Изображение: ЦЕРН)
Коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН, проводят эксперименты с кварками, одним из типов элементарных частиц. Эти эксперименты нашли некоторые доказательства, объясняющие симметрию материи и антиматерии, но только часть ее. Эксперименты с другим типом элементарных частиц, лептонами, намекают на то, что эти частицы могли бы более полно объяснить эту универсальную асимметрию.
Предыдущие исследования нейтрино, типа лептона, обнаружили неожиданные закономерности в трех нейтринных «ароматах», результаты, которые, по мнению физиков, также могут означать, что их асимметрия может быть больше, чем ожидалось.
Но проблема изучения нейтрино заключается в том, что они редко взаимодействуют с другими частицами; одно нейтрино может пройти через световой год свинца, ничего не делая. Обнаружение этих редких взаимодействий означает, что исследователям необходимо изучать большое количество нейтрино в течение длительных периодов времени. В качестве дополнительной проблемы постоянный поток мюонов, создаваемых взаимодействиями космических лучей в верхних слоях атмосферы, может затруднить обнаружение нечастых взаимодействий, которые больше интересуют исследователей.
Решение? Спуститесь на 5000 футов под землю, постройте четыре 10-килотонных детектора, наполненных жидким аргоном, и запустите пучок нейтрино, полученный в ускорителе частиц, который находится на расстоянии 800 миль.
Это конечная цель DUNE, международного исследовательского центра нейтрино, управляемого Fermilab, лабораторией физики элементарных частиц и ускорительной лабораторией недалеко от Чикаго. Ведутся раскопки детектора, который будет установлен в подземном исследовательском центре Сэнфорда в Южной Дакоте, и сейчас исследователи заняты экспериментами, прежде чем в 2022 году будет установлен первый детектор.
Сотрудник Лос-Аламосской национальной лаборатории Чарльз Тейлор готовит детектор Mini-CAPTAIN. (Изображение: Кристофер Могер)
В качестве первой публикации, выпущенной CAPTAIN, исследователи решили ключевую техническую проблему: как обрабатывать измерения взаимодействий других частиц. Например, когда нейтрино взаимодействует с аргоном, нейтрино получает заряд и выбрасывает нейтроны. Большая часть энергии взаимодействия будет передана нейтрону, но количество определить не удалось. «Мы должны понимать взаимодействие аргона и нейтрона, если хотим правильно провести эксперимент, который повлияет на наше понимание асимметрии материи и антиматерии», — говорит Могер.
Он и его команда построили 400-килограммовый прототип детектора DUNE, известного как Mini-CAPTAIN, и собрали данные нейтронного пучка в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Бывший постдоктор Пенна Хорхе Чавес, который руководил анализом этого исследования, говорит, что основная часть работы заключалась в преобразовании сигналов от детектора в осмысленные сведения о свойствах, которые они заинтересованы в дальнейшем изучении.
Собранная внешняя полевая клетка Мини-КАПИТАН (слева) и сложная сетка внутри электроники и детекторов, измеряющих нейтронные сигналы (справа). (Изображение: Кристофер Могер)
В качестве первого набора данных о взаимодействиях нейтронов в жидком аргоне в диапазоне энергий, которые будут использоваться в DUNE, Чавес говорит, что он воодушевлен полученными результатами, хотя им все еще необходимо получить дополнительные данные. «Раньше сечение этого взаимодействия не измерялось, но теперь мы предоставили реальные экспериментальные результаты», — говорит он.
— Имея больше данных того же качества, мы сможем проводить еще более точные измерения».
В ближайшее время команда CAPTAIN сосредоточится на совершенствовании методов, разработанных для этой статьи, а также на проведении других экспериментов до того, как DUNE начнет собирать данные в 2026 году. Как только проект официально стартует, исследователи надеются, что смогут использовать это средство, чтобы помочь ответить на вопросы из областей физики элементарных частиц, ядерной физики и даже астрофизики.
Могер считает текущие усилия CAPTAIN и других проектов «физическими исследованиями и разработками», которые помогут исследователям собирать важные измерения и изучать явления так, как никогда раньше. Для достижения многих высоких целей DUNE потребуются десятилетия, но Могер говорит, что то, чего они пытаются достичь, оправдывает усилия.
Може (крайний справа) и исследовательская группа КАПИТАН. (Изображение: Кристофер Могер)
«Нейтрино так трудно измерить, они в некотором роде загадочны, и есть какое-то очарование в попытке понять, как они работают.