Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии?
Говорят, что все частицы материи имеют симметричную частицу антиматерии. Они аналогичны, но с противоположными зарядами. Столкновение частиц вещества и антивещества приводит к аннигиляции. Так почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии, как так вышло? Сейчас разберемся.
Где все антивещество?
Один из самых важных и сложных вопросов современности – почему все, что мы наблюдаем, состоит лишь из материи, и где все антивещество? На самом деле, если бы материи и антиматерии было одинаковое количество, Вселенная давно бы аннигилировала и просто самоуничтожилась. Наука не стоит на месте и недавно было проведено исследование, результаты которого пролили свет на эту асимметричность.
Впервые понятие антиматерии прозвучало еще в девятнадцатом веке от английского физика Артура Шустера. Уже в двадцатом веке идею подхватил его британский коллега по цеху Поль Дирак и в 1928 году вывел теорию антивещества. Четырьмя годами позже Карл Андерсон, американский физик-испытатель (не путать с американским рестлером) открыл позитроны – положительно заряженные электроны. Они появляются при определенных радиоактивных процессах, как например, распад калия. То есть любое вещество, содержащее калий, с некой периодичностью рождает позитроны. Потом происходит аннигиляция и вспышка света, которая, естественно, на столько мала, что мы не можем заметить ее невооруженным взглядом.
Не для кого уже не секрет, что атомы состоят из кварков и лептонов – элементарных частиц. Последние включают в себя электроны, три различных нейтрино, мюоны и тау. Видов кварков также шесть: верхний, нижний, истинный, странный, очарованный и красивый. Не спрашивайте, просто примите это как факт. Это значит, что у каждой из этих частиц есть партнеры в антиматерии с противоположным зарядом.
По сути такие частицы должны быть идентичны частицам вещества, однако это не совсем так. Не всегда так. Простой пример – мезоны, состоящие из кварков и антикварков. Казалось бы, они должны просто аннигилировать, но мезон может обратиться антимезоном и обратно. В таком интересном событии кварки также становятся антикварками и наоборот.
Но чаще всего такой процесс возможен лишь в одну сторону – антивещество становится веществом. Вот поэтому во Вселенной больше материи, чем антиматерии. И со временем это соотношение лишь увеличивает свой разрыв.
Очарование асимметрии
Подобная асимметрия найдена лишь в странных и красивых кварках. Это на самом деле очень важное открытие, которое помогло предположить о существовании шести видов кварков еще в далеком 1964. Хотя на то время физики считали, что их всего три. И лишь в начале нашего века была открыта асимметрия красивых кварков, что только подтвердило наличие всех шести видов. За оба этих открытия были получены Нобелевские премии.
Как же все это работает? Красивый и странный кварки отрицательно заряжены. Кварк, несущий в себе положительный заряд – очарованный. Именно он и должен стать катализатором асимметрии материи и антиматерии во Вселенной, в теории, конечно же.
Еще больше приоткрыть завесу тайны помог БАК. Именно там ученые впервые обнаружили асимметрию мезонов, состоящих из очарованных частиц. D-мезоны сталкивали между собой на ускорителе и наблюдали за рождением очарованных частиц. В условиях эксперимента вероятность того, что это лишь случайное отклонение от нормы, ничтожно мала, примерно 50 на 1 000 000 000.
Что же получается, если это не тот же процесс, что в случае странного и красивого кварков, значит есть еще как минимум один, а может и больше, источников асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. И это на самом деле очень важно, потому что такое малое количество известных механизмов сего процесса все равно не объясняет наличие такой огромной разницы в глобальных масштабах. Понятно, что одного такого открытия для ответа на вопрос будет мало, но все же это значительная часть пазла, которая поможет собрать его быстрее. А чем дальше продвигаются физики, тем больше им хочется продолжать, поэтому новые открытия тоже не заставят себя долго ждать. Очарование асимметрии касается не только кварков.
Следующие шаги
И что дальше? Каковы следующие шаги в изучении вопроса: Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии? Так как открытие еще совсем свежее и пока не до конца понятое, его нужно правильно объяснить. А это означает появление новых теорий, исследований, тестирований и прочего, которые уже начали свою работу.
Данный эксперимент, проведенный на Большом адронном коллайдере, тоже будет совершенствоваться, чтобы улучшить точность измерений. В скором времени его должны объединить с японским экспериментов Bell II, который вот-вот запустится.
Антивещество также изучается и в других исследования. Не только антикварки, но даже антиатомы создаются на замедлителе ЦЕРН уже сейчас. И даже в космосе на МКС проводятся эксперименты, направленные на нахождение космической антиматерии. Также некоторые исследования планируется направить в сторону нахождения асимметрии матери-антиматерии в нейтрино.
Ответить на вопрос, заданный в заголовке данной статьи, полностью мы пока не можем. Но крайнее открытие значительно продвинуло человечество вперед. В конце концов, мы живем в эру высоких технологий, позволяющий проводить особо точные измерения и эксперименты, которые в конечном итоге обязательно принесут результаты. Возможно, когда-нибудь ученые смогут ответить нам, почему мы находимся здесь, как мы появились, и где все остальные.
Источник
Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии?
Почему мы существуем? Это, пожалуй, самый глубокий вопрос, который может показаться совершенно выходящим за рамки физики элементарных частиц. Но наш новый эксперимент на Большом адронном коллайдере ЦЕРН приблизил нас к ответу. Чтобы понять, почему мы существуем, нужно сперва отправиться на 13,8 миллиардов лет назад, во времени Большого Взрыва. Это событие произвело равное количество вещества, из которого мы состоим, и антивещества.
Считается, что каждая частица имеет партнера из антиматерии, который практически идентичен ей, однако обладает противоположным зарядом. Когда частица и ее античастица встречаются, они аннигилируют — исчезают во вспышке света.
Где все антивещество?
Почему Вселенная, которую мы видим, состоит целиком из материи, это одна из величайших загадок современной физики. Если когда-то было равное количество антивещества, все во Вселенной аннигилировало бы. И вот, недавно опубликованное исследование, похоже нашло новый источник асимметрии между материей и антиматерии.
Об антиматерии первым заговорил Артур Шустер в 1896 году, затем в 1928 году Поль Дирак привел ей теоретическое обоснование, а в 1932 году Карл Андерсон обнаружил ее в форме антиэлектронов, которые получили название позитронов. Позитроны рождаются в естественных радиоактивных процессах, например, распада калия-40. Это означает, что обычный банан (содержащий калий) испускает позитрон каждые 75 минут. Затем он аннигилирует с электронами в материи, производя свет. Медицинские приложения вроде сканеров PET также производят антиматерию в аналогичном процессе.
Основными строительными блоками вещества, из которого состоят атомы, являются элементарные частиц — кварки и лептоны. Существует шесть видов кварков: верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и красивый. Точно так же, существует шесть лептонов: электрон, мюон, тау и три вида нейтрино. Есть также антиматериальные копии этих двенадцати частиц, которые отличаются только своим зарядом.
Частицы антивещества в принципе должны быть идеальным зеркальным отражением своих обычных спутников. Но эксперименты показывают, что это не всегда так. Возьмем, к примеру, частицы, известные как мезоны, которые состоят из одного кварка и одного антикварка. Нейтральные мезоны имеют удивительную особенность: они могут самопроизвольно превращаться в свой анти-мезон и наоборот. В этом процессе кварк превращается в антикварк или антикварк превращается в кварк. Однако эксперименты показали, что это может происходить чаще в одном направлении, чем в другом — в результате чего материи становится больше со временем, чем антиматерии.
Третий раз — волшебный
Среди частиц, содержащих кварки, такие асимметрии обнаружены только у странных и красивых кварков — и эти открытия стали чрезвычайно важными. Самое первое наблюдение асимметрии с участием странных частиц в 1964 году позволило теоретикам предсказать существование шести кварков — в то время, когда было известно, что существует только три. Открытие асимметрии у красивых частиц в 2001 году стало окончательным подтверждением механизма, которое привело к картине с шестью кварками. Оба открытия принесли Нобелевские премии.
И странный, и красивый кварки переносят отрицательный электрический заряд. Единственный положительно заряженный кварк, который в теории должен быть способен образовывать частицы, которые могут проявлять асимметрию вещества и антивещества — это очарованный. Теория предполагает, что он это делает, его эффект должен быть незначительным и трудно находимым.
Но эксперимент LHCb на Большом адронном коллайдере смог наблюдать такую асимметрию в частицах, называемых D-мезонами, которые состоят из очарованных кварков — впервые. Это стало возможным благодаря беспрецедентному количеству очарованных частиц, произведенными непосредственно в столкновениях на БАК. Результат показывает, что вероятность того, что это статистическая флуктуация, составляет 50 на миллиард.
Если эта асимметрия рождается не из того же самого механизма, который приводит к асимметриям странного и красивого кварков, остается пространство для новых источников асимметрии материи-антиматерии, которые могут добавить к общей асимметрии таковых во Вселенной. И это важно, так как несколько известных случаев асимметрии не могут объяснить, почему во Вселенной так много материи. Одного открытия с очарованными кварками будет недостаточно, чтобы заполнить этот проблем, но это важная часть головоломки в понимании взаимодействия фундаментальных частиц.
Следующие шаги
За этим открытием последует рост количества теоретических работ, которые помогают в интерпретации результата. Но что еще более важно, она наметит дальнейшие тесты для углубления понимания нашего открытия — и некоторые из этих тестов уже проводятся.
В предстоящее десятилетие модернизированный эксперимент LHCb повысит чувствительность таких измерений. Он будет дополнен экспериментом Belle II в Японии, который только начинает работать.
Антиматерия также лежит в основе ряда других экспериментов. Целые антиатомы производятся на Антипротонном замедлителе ЦЕРН, и они обеспечивают целый ряд экспериментов по проведению высокоточных измерений. Эксперимент AMS-2 на борту Международной космической станции находится в поисках антиматерии космического происхождения. Ряд текущих и будущих экспериментов будет посвящен вопросу о том, существует ли асимметрия вещества-антивещества среди нейтрино.
Хотя мы до сих пор не можем полностью разгадать тайну асимметрии материи и антиматерии, наше последнее открытие открыло дверь в эпоху точных измерений, которые могут раскрыть еще неизвестные явления. Есть все основания полагать, что однажды физики смогут объяснить, почему мы вообще здесь.
Вы не знаете, почему? Если знаете, расскажите в нашем чате в Телеграме.
Источник
Бозон Хиггса может быть частью загадки материи и антиматерии
В науке есть такая проблема: дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной. Ученые считают, что в процессе Большого Взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии, которые аннигилировали бы и превратились в ноль. Но поскольку мы живы и наблюдаем материю, что-то пошло не так. Что?
Несколько экспериментов, включая эксперимент BaBar Национальной ускорительной лаборатории SLAC, помогли объяснить некоторые — но не все — аспекты проблемы. Теперь же теоретик SLAC и его коллеги предложили возможный метод поиска ответа на вопросы с участием бозона Хиггса.
В работе, опубликованной в журнале Physical Review D, они утверждают, что ученые Большого адронного коллайдера, где был обнаружен бозон Хиггса, будут искать конкретные события распада Хиггса, когда коллайдер снова будет запущен в 2015 году. Детали этого распада смогут ответить на вопрос, участвовал Хиггс или не участвовал в вопросе дисбаланса материи и антиматерии.
«Пришло время спланировать стратегию поиска, — говорит Мэтт Долан, научный сотрудник SLAC и соавтор работы. — Когда БАК заработает в полную силу, мы будем готовы».
Почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии (или вещества/антивещества) — один из самый серьезных вопросов среди физиков частиц и космологов, кроме того, в его основе лежит сама суть нашего существования. В момент времени после Большого Взрыва, когда Вселенная охладилась достаточно для образования материи, большинство пар частиц материи-антиматерии должны были взаимно уничтожить друг друга. Но что-то нарушило баланс в пользу материи и мы — звезды, планеты, галактики, жизнь — нашли место под солнцем.
Работа основана на явлении под названием нарушения СР-инвариантности, нарушения комбинированной четности. BaBar исследует конкретно это явление. Нарушение СР-инвариантности говорит о том, что природа по-разному определяет частицы и их зеркально отраженные версии с противоположным зарядом.
«Поиск нарушения СР-инвариантности на БАК — сложный процесс, — говорит Долан. — Мы только начали изучать свойства Хиггса, и любые эксперименты должны быть крайне тщательно разработаны, если мы хотим улучшить наше понимание того, как Хиггс ведет себя в различных условиях».
Во-первых, исследователи должны подтвердить, что Хиггс вписывается в Стандартную модель, на данный момент лучшее описание материи, энергии и процессов, которые за этим стоят. Хиггс, который вписывается в Стандартную модель, будет СР-четным; который не вписывается — СР-нечетным. Ключевым моментом, который покажет, что Хиггс причастен к нарушению СР-инвариантности, будет то, что он совместит четный и нечетный аспекты.
Теоретики предложили эксперимент, который позволит взглянуть на процесс распада Хиггса на две тау-частицы, тогда как остальная энергия от обычных протон-протонных столкновений будет выброшена в две струи, или потока. Любая смесь СР-четности и СР-нечетности в бозоне Хиггса будет определяться углом между двумя струями.
«Это очень серьезный и сложный анализ», — говорит Филип Харрси, штатный физик ЦЕРН и соавтор работы. Харрис занимается изучением вопроса распадов Хиггса на тау и тау, свидетельства которых появились только недавно».
«Я хотел бы добавить измерения нарушений СР-инвариантности в наш анализ, и то, что предложили Мэтт, Мартин и Майкл — наиболее жизнеспособный вариант, — заявил Харрис, добавив, что будет с нетерпением ждать, когда БАК начнет генерировать данные. — Даже с данными, собранными в течение нескольких месяцев, мы сможем сделать конкретные выводы об участии Хиггса в СР-нарушениях».
Источник