Medžiaga prieš antimateriją

Medžiaga prieš antimateriją

Medžiaga vs. Antimedžiaga: disbalansas, leidęs dominuoti medžiagai

Viena iš giliausių šiuolaikinės fizikos ir kosmologijos mįslių yra, kodėl mūsų Visata susideda beveik vien iš medžiagos, o antimedžiagos joje labai mažai. Remiantis dabartiniu supratimu, medžiaga ir antimedžiaga turėjo būti susidarę beveik vienodais kiekiais pačiais ankstyviausiais akimirksniais po Didžiojo sprogimo, todėl jos turėjo visiškai anihiliuotis – tačiau to neįvyko. Nedidelis medžiagos perteklius (maždaug viena dalis iš milijardo) išliko ir sudarė galaktikas, žvaigždes, planetas bei galiausiai gyvybę, kokią ją pažįstame. Šis akivaizdus medžiagos ir antimedžiagos asimetriškumas dažnai įvardijamas barioninės Visatos asimetrijos terminu ir glaudžiai siejamas su reiškiniais, vadinamais KP (angl. CP) pažeidimu ir barigeneze.

Šiame straipsnyje aptarsime:

  1. Trumpą istorinę antimedžiagos atradimo perspektyvą.
  2. Medžiagos ir antimedžiagos disbalanso prigimtį.
  3. KP (krūvio ir pariteto) simetriją ir jos pažeidimą.
  4. Sacharovo sąlygas barigenezei.
  5. Pasiūlytas medžiagos ir antimedžiagos asimetrijos susidarymo hipotezes (pvz., elektrosilpnę barigenezę, leptogenezę).
  6. Vykdomus eksperimentus ir ateities kryptis.

Straipsnio pabaigoje turėsite bendrą supratimą, kodėl, mūsų manymu, Visatoje yra daugiau medžiagos nei antimedžiagos, ir sužinosite, kaip mokslas mėgina nustatyti tikslų mechanizmą, lemiantį šį kosminį disbalansą.

1. Istorinis kontekstas: antimedžiagos atradimas

Antimedžiagos koncepciją pirmą kartą teoriškai numatė anglų fizikas Polas Dirakas 1928 m. Dirakas sudarė lygčių rinkinį (Dirako lygtis), aprašantį reliatyvistiškai judančius elektronus. Ši lygtis netikėtai leido rasti sprendinius, atitinkančius daleles su teigiama energija ir neigiama energija. „Neigiamos energijos“ sprendiniai vėliau buvo interpretuoti kaip dalelės, turinčios tokią pačią masę kaip elektronas, tačiau priešingo ženklo elektros krūvį.

  1. Pozitrono (1932 m.) atradimas: 1932 m. amerikiečių fizikas Karlas Andersonas eksperimentiškai patvirtino antimedžiagos egzistavimą aptikdamas pozitroną (elektrono antidalelę) kosminių spindulių paliktuose pėdsakuose.
  2. Antiprotonas ir antineutronas: Antiprotoną 1955 m. atrado Emilijo Segre ir Ouenas Čemberlenas, o antineutronas aptiktas 1956 m.

Šie atradimai sustiprino mintį, kad kiekvienai Standartinio modelio dalelės rūšiai egzistuoja antidalelė, turinti priešingus kvantinius skaičius (pvz., elektros krūvį, barioninį skaičių), tačiau tą pačią masę ir sukinius.

2. Medžiagos ir antimedžiagos disbalanso prigimtis

2.1 Vienodas susidarymas ankstyvojoje Visatoje

Didžiojo sprogimo metu Visata buvo nepaprastai karšta ir tanki, tad energijos lygis buvo pakankamai aukštas, kad susidarytų medžiagos ir antimedžiagos dalelių poros. Pagal įprastą supratimą, vidutiniškai kiekvienai susidariusiai medžiagos dalelytei turėjo būti sukuriama ir atitinkama antidalelė. Visatai plečiantis ir vėstant, šios dalelės ir antidalelės turėjo beveik visiškai anihiliuotis, paversdamos masę energija (dažniausiai gama spindulių fotonais).

2.2 Likusi medžiaga

Visgi stebėjimai rodo, kad Visata yra daugiausia sudaryta iš medžiagos. Grynoji disproporcija yra nedidelė, tačiau būtent ji buvo lemiama. Šį santykį galima kiekybiškai įvertinti, žvelgiant į barionų (medžiagos) tankio ir fotonų tankio Visatoje santykį, dažnai žymimą η = (nB - n̄B) / nγ. Kosminio mikrobangų fono (KMF) – gauto iš tokių misijų kaip COBE, WMAP ir Planck – duomenys rodo:

η ≈ 6 × 10−10.

Tai reiškia, kad kas milijardą fotonų, likusių po Didžiojo sprogimo, tenka maždaug vienas protonas (ar neutronas) – tačiau svarbiausia, jog tas vienas barionas pranoko savo atitinkamą antibarioną. Kyla klausimas: kaip atsirado ši mažytė, bet esminė asimetrija?

3. KP simetrija ir jos pažeidimas

3.1 Simetrijos fizikoje

Dalelių fizikoje K (krūvio konjugacijos) simetrija reiškia dalelių ir jų antidalelių susikeitimą. P (pariteto) simetrija reiškia erdvinį inversinį atspindėjimą (erdvės koordinatėms pakeisti ženklą). Jei fizikinis dėsnis išlieka nepakitęs atliekant ir K, ir P transformacijas (t. y. „jei vaizdas išlieka toks pats, kai dalelės pakeičiamos antidalelėmis, o kairė ir dešinė yra sukeistos vietomis“), sakome, kad laikomasi KP simetrijos.

3.2 Ankstyvasis KP pažeidimo atradimas

Iš pradžių manyta, kad KP simetrija gali būti fundamentali gamtos savybė, ypač po to, kai 1950-aisiais buvo atrastas vien pariteto (P) pažeidimas. Tačiau 1964 m. Džeimsas Kroninas ir Valas Fičas nustatė, kad neutriniai kaonai (K0) skylant pažeidžia KP simetriją (Cronin & Fitch, 1964 [1]). Šis revoliucinis rezultatas parodė, kad net KP kartais gali būti pažeidžiama tam tikrose silpnosios sąveikos procesuose.

3.3 KP pažeidimas Standartiniame modelyje

Standartiniame dalelių fizikos modelyje KP pažeidimas gali kilti iš fazių Kabibo-Kobajašio-Maskavos (CKM) matricoje, aprašančioje, kaip įvairių „skonių“ kvarkai pereina vieni į kitus veikiant silpnajai sąveikai. Vėliau, neutrino fizikoje, atsirado kitas maišymosi matricos terminas – Pontekorvo–Makio–Nakagavos–Sakatos (PMNS) matrica, galinti taip pat turėti KP pažeidžiančių fazių. Tačiau iki šiol stebėtas KP pažeidimo mastas šiuose sektoriuose yra per mažas, kad paaiškintų Visatos barioninę asimetriją. Todėl manoma, kad egzistuoja papildomi KP pažeidimo šaltiniai už Standartinio modelio ribų.

4. Sacharovo sąlygos barigenezei

1967 m. rusų fizikas Andrejus Sacharovas suformulavo tris būtinas sąlygas, kad ankstyvojoje Visatoje galėtų atsirasti medžiagos ir antimedžiagos asimetrija (Sacharov, 1967 [2]):

  1. Barioninio skaičiaus pažeidimas: Turi vykti sąveikos ar procesai, keičiantys grynąjį barioninį skaičių B. Jei barioninis skaičius griežtai saugomas, barionų ir antibarionų asimetrija negali susidaryti.
  2. K ir KP pažeidimas: Procesai, išskiriantys medžiagą ir antimedžiagą, yra būtini. Jei K ir KP būtų tobulos simetrijos, bet koks procesas, kuriantis daugiau barionų nei antibarionų, turėtų veidrodinį atitikmenį, kuris sukurtų tiek pat antibarionų, taip „anuliuodamas“ bet kokį perteklių.
  3. Nukrypimas nuo terminės pusiausvyros: Terminėje pusiausvyroje dalelių kūrimo ir anihiliacijos procesai vyksta abiem kryptimis vienodai, todėl išsaugomas balansas. Netermiškai subalansuota aplinka, pavyzdžiui, greitai besiplečianti ir vėstanti Visata, leidžia tam tikriems procesams „užfiksuoti“ asimetriją.

Kiekviena sėkminga barigenezės teorija ar mechanizmas turi atitikti šias tris sąlygas, kad būtų galima paaiškinti stebimą medžiagos ir antimedžiagos disbalansą.

5. Pasiūlyti medžiagos ir antimedžiagos asimetrijos formavimosi mechanizmai

5.1 Elektrosilpnė barigenezė

Elektrosilpnė barigenezė teigia, kad barioninė asimetrija susidarė maždaug tuo metu, kai vyko elektrosilpnoji fazinė perėjimo stadija (~10−11 sek. po Didžiojo sprogimo). Pagrindiniai aspektai:

  • Higso laukas įgauna netiesinę vakuuminę vertę ir taip spontaniškai sulaužo elektrosilpnę simetriją.
  • Neperturbaciniai procesai, vadinami sferalonais, gali pažeisti bendrą barionų ir leptonų skaičių (B+L), bet išsaugoti barionų ir leptonų skirtumą (B−L).
  • Fazinis perėjimas, jei jis būtų I eilės (t. y. būdingas burbulų susidarymas), sukurtų reikalingą nukrypimą nuo terminės pusiausvyros.
  • KP pažeidžiantys sąveikos procesai Higso sektoriuje arba kvarkų maišymo metu prisidėtų prie medžiagos ir antimedžiagos disbalanso, atsirandančio burbuluose.

Deja, esamame Standartinio modelio parametrų diapazone (ypač esant 125 GeV masės Higso bozono atradimui) mažai tikėtina, kad elektrosilpnoji fazinė perėjimo stadija buvo I eilės. Be to, CKM matricos teikiamas KP pažeidimas per mažas. Todėl daugelis teoretikų siūlo už Standartinio modelio ribų egzistuojančią fiziką – pavyzdžiui, papildomus skaliarinius laukus – kad elektrosilpnė barigenezė taptų realesnė.

5.2 DVT (GUT) barigenezė

Didžiosios vienijimo teorijos (GUT) siekia suvienyti stipriąją, silpnąją ir elektromagnetinę sąveiką itin aukštos energijos sąlygomis (~1016 GeV). Daugelyje DVT modelių sunkieji kalbos bozonai ar Higso bozonai gali tarpininkauti protono skilimą ar kitus barionų skaičių pažeidžiančius procesus. Jei šie procesai vyksta neterminėje aplinkoje ankstyvojoje Visatoje, jie iš esmės gali generuoti barionų asimetriją. Tačiau būtina, kad KP pažeidimas šiuose DVT scenarijuose būtų pakankamai didelis, o protono skilimo, kurį DVT prognozuoja, eksperimentais kol kas nepavyko aptikti tokiais dažniais, kokių tikėtasi. Tai riboja paprastesnius DVT barigenezės modelius.

5.3 Leptogenezė

Leptogenezė pradeda nuo leptonkų ir antileptonkų asimetrijos. Ši leptonų asimetrija vėliau per sferalonų procesus elektrosilpnojo laikotarpio metu iš dalies paverčiama į barioninę asimetriją, nes šie procesai gali leptonus konvertuoti į barionus. Vienas populiarių mechanizmų:

  1. „Seesaw“ mechanizmas: Įvedami sunkūs dešiniojo sukimosi neutrinai (ar kiti sunkieji leptonai).
  2. Šie sunkieji neutrinai gali irti per KP pažeidimą, sukurti leptonų sektoriaus asimetriją.
  3. Sferalonų sąveikos dalį šios leptoninės asimetrijos paverčia barionine asimetrija.

Leptogenezė patraukli tuo, kad sieja neutrino masių kilmę (pastebimą neutrino osciliacijose) su kosminiu medžiagos ir antimedžiagos disbalansu. Be to, jai nebūdingi kai kurie ribojantys veiksniai, trukdantys elektrosilpnei barigenezei, todėl ji dažnai minima kaip viena iš pagrindinių naujosios fizikos teorijų sudėtinių dalių.

6. Vykdomi eksperimentai ir ateities kryptys

6.1 Didelės energijos greitintuvai

Tokie greitintuvai kaip Didysis hadronų greitintuvas (LHC) – ypač eksperimentas LHCb – gali būti jautrūs KP pažeidimui įvairių mezonų (B, D ir kt.) skilimuose. Matuodami KP pažeidimo mastą ir lygindami jį su Standartinio modelio prognozėmis, mokslininkai tikisi rasti neatitikimų, kurie galėtų reikšti naują fiziką už Standartinio modelio ribų.

  • LHCb: Specializuojasi tiksliuose retų skilimų ir KP pažeidimo b-kvarko sektoriuje tyrimuose.
  • Belle II (KEK Japonijoje) ir jau baigtasis BaBar (SLAC) taip pat nagrinėjo KP pažeidimą B-mezonų sistemose.

6.2 Neutrinų eksperimentai

Naujos kartos neutrinų osciliacijų eksperimentai, tokie kaip DUNE (Gilus požeminis neutrinų eksperimentas) JAV ir Hyper-Kamiokande Japonijoje, siekia didelio tikslumo išmatuoti KP pažeidimo fazę PMNS matricoje. Jei neutrinai rodytų ryškų KP pažeidimą, tai dar labiau paremtų leptogenezės, kaip medžiagos ir antimedžiagos disbalanso sprendimo, hipotezę.

6.3 Protonų skilimo paieška

Jeigu GUT barigenezės scenarijai yra teisingi, protono skilimas galėtų būti svarbus užuominos šaltinis. Tokie eksperimentai kaip Super-Kamiokande (ir ateityje Hyper-Kamiokande) griežtai nustato protono egzistavimo trukmės ribas skirtingiems skilimo kanalams. Bet koks protono skilimo atradimas būtų itin svarbus, nes pateiktų rimtų užuominų apie barionų skaičiaus pažeidimą aukštos energijos lygmeniu.

6.4 Aksionų paieška

Nors aksionai (hipotetinės dalelės, susijusios su stipriosios KP problemos sprendimu) nėra tiesiogiai susiję su barigeneze įprastine prasme, jie taip pat galėtų atlikti tam tikrą vaidmenį ankstyvosios Visatos terminėje istorijoje ir lemti galimas medžiagos ir antimedžiagos disproporcijas. Todėl aksionų paieškos tebėra svarbi dalis, sprendžiant bendrą Visatos dėlionę.

Išvada

Kosminis medžiagos dominavimas prieš antimedžiagą išlieka vienu pagrindinių atvirų fizikos klausimų. Standartinis modelis numato tam tikrą KP pažeidimą, tačiau nepakankamą, kad paaiškintų stebimą asimetrijos mastą. Šis neatitikimas rodo poreikį naujai fizikai – arba aukštesnės energijos (pvz., DVT mastu), arba įvedant papildomas daleles ir sąveikas, kurių dar neatradome.

Nors elektrosilpnė barigenezė, DVT barigenezė ir leptogenezė yra galimi mechanizmai, būtina tolesnė eksperimentinė ir teorinė analizė. Aukšto tikslumo eksperimentai greitintuvų fizikoje, neutrino osciliacijų tyrimuose ir retų skilimų tyrimuose bei astrofiziniai stebėjimai toliau tikrina šias teorijas. Atsakymas į klausimą, kodėl medžiaga laimėjo prieš antimedžiagą, gali ne tik praplėsti mūsų supratimą apie Visatos kilmę, bet ir atskleisti visiškai naujus mūsų realybės aspektus.

Rekomenduojami šaltiniai ir platesnis skaitymas

  1. Cronin, J. W., & Fitch, V. L. (1964). “Evidence for the 2π Decay of the K20 Meson.” Physical Review Letters, 13, 138–140. [Nuoroda]
  2. Sakharov, A. D. (1967). “Violation of CP Invariance, C Asymmetry, and Baryon Asymmetry of the Universe.” JETP Letters, 5, 24–27.
  3. Particle Data Group (PDG). https://pdg.lbl.gov – Išsamus duomenų ir apžvalgų šaltinis apie dalelių savybes, KP pažeidimą ir fiziką už Standartinio modelio ribų.
  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. – Klasikinė knyga apie kosmologinius procesus, tarp jų ir barigenezę.
  7. Mukhanov, V. (2005). Physical Foundations of Cosmology. Cambridge University Press. – Išsamiai nagrinėja infliaciją, branduolų sintezę ir barigenezę.

Šie darbai suteikia gilesnį teorinį ir eksperimentinį kontekstą apie KP pažeidimą, barionų skaičiaus pažeidimą ir galimus Visatos medžiagos-antimedžiagos asimetrijos mechanizmus. Didėjant naujų eksperimentinių duomenų kiekiui, artėjame prie atsakymo į vieną svarbiausių visatos klausimų: kodėl apskritai yra kažkas, o ne niekas?

Grįžti į tinklaraštį