Антивещество — штука достаточно популярная, как в научной фантастике, так и просто в околонаучных спорах о том, “как все устроено на самом деле”. Фантасты нам подарили звезды и целые планетные системы из антивещества. Дэн Браун через “Ангелов и демонов” донес этот феномен практически до каждого.
В общем, вымыслов и домыслов предостаточно. В статье немного окунемся в историю: как почти чистая математика предсказала такой феномен, как им пытались «пренебречь», до тех пор, пока антивещество само не залетело в детекторы. Потом пробежимся по тому, что известно сейчас и дойдем до самой большой головной боли физиков — почему вещества во Вселенной оказалось больше, чем антивещества?
Это статья написана в продолжении ну о-о-очень вялотекущего цикла о нейтринной физике: открытие нейтрино, нейтринные осцилляции для чайников, нейтрино от сверхновых.
Зайдем издалека, почти с самого создания квантмеха. У физиков никак не получалось посчитать, как светится нагретое тело. То, что оно светится никто не спорит, благо невооруженным глазом видно, но вот в цифрах посчитать не получается — интеграл расходится, получается бесконечность. Макс Планк предлагает простой трюк — давайте будем считать, что свет излучается порциями, а не непрерывно. И вуаля — бесконечность исчезает, а результат расчетов отлично сходится с экспериментом. Забавно, что Планк очень долго доказывал, что это трюк чисто математический, и никакого физического смысла тут нет. Эйнштейн же сразу подхватил эту идею и предположил, что свет вообще существует исключительно в виде отдельных порций — фотонов. И потом еще долго спорил с Планком и объяснял ему, что тот открыл на самом деле.
Тут-то физики и развернулись. Возможность описать свет и как волну, и как летящую частицу сразу же вызвало предложение пройти обратным путем — описать частицу как волну, посчитать для нее волновые характеристики: длину, частоту. Экспериментальное подтверждение не заставило себя долго ждать, и в 1927 году удалось продемонстрировать интерференцию электронов при прохождении через две щели — чисто волновой эффект!
На волне этих идей Шредингер придумывает как описать любые частицы с помощью волнового уравнения. Не будем погружаться глубоко в математику, скажем лишь, что это уравнение позволяло для заданных условий вычислить волновые характеристики частицы: вероятность найти ее в том или ином месте, вероятность иметь определенную скорость и тд. Так в те времена описывали феномен корпускулярно-волнового дуализма.
За 20 лет до этого Эйнштейн сформулировал свою специальную теорию относительности. В контексте нашей статьи чрезвычайно важна установленная им связь между массой, энергией и импульсом. Большинство людей вспомнят это знаменитое выражение только для покоящейся частицы . Она простая, красивая, но, к сожалению, не применима для движущихся частиц. Для них еще нужно учитывать и импульс (р):
И вот тут и сидит множество проблем! Они и приведут к открытию антивещества!
Уравнение Шредингера хорошо работало для не очень быстрых частиц. В таких случаях оставались верными знакомые всем со школы уравнения ньютоновской механики. Но нас окружает множество очень быстрых частиц и для них нужно использовать приведенное выше уравнение, связывающее энергию, импульс и массу. Проблема была в извлечении корня для нахождения энергии. Поль Дирак в 1930 придумал хитрый способ сделать это при помощи матриц и обобщил уравнение Шредингера на высокоэнергетичные частицы.
Тут он столкнулся с хорошо всем знакомой класса так с 7-го проблемой: извлечение корня дает два решения. Помните, решая задачи в школе, иногда вы получали отрицательные решения? Обычно при этом пишут «не имеет физического смысла» и в ответ старательно выписывают одно положительное решение. Например, считая когда встретятся движущиеся машины, вы получали ответы: -1 час и 3 часа, первый всегда отбрасывался. Он не лишен смысла, час назад машины действительно были в одной точке, но для ответа на вопрос: «Когда они встретятся в будущем?», — не годится.
Так вот, Дирак, обсчитывая движение электрона, получил решения с отрицательной энергией. Первой идеей было отбросить этот ответ как «не имеющий физического смысла». Но, как и в случае с машинами, какой-то смысл за этим решением все же должен быть!
Если допустить существование таких состояний с отрицательной энергией (и положительным зарядом), то в физике наступит полнейший хаос. Давайте рассмотрим это на примере простой картинки:
Здесь по вертикальной оси отложена энергия частицы. Сверху на желтом фоне обычные электроны с положительной энергией и отрицательным зарядом. Чем больше энергия, тем больше скорость — все интуитивно понятно. Но вот внизу… Огромная синяя экзотическая область. Там, если энергия уменьшается, иными словами уходит глубже в минус, то скорость растет. Это вообще как?!
Дальше — хуже. Ведь любая система стремится к минимуму энергии, шарик всегда будет стремиться оказаться на дне ямки. Так и абсолютно все электроны будут стремиться упасть в самый-самый низ, безостановочно разгоняясь… В общем, не останется в мире электронов.
Дирак, будучи влюбленным в красоту математики, настаивал, что решение должно иметь смысл. За это он был неоднократно критикован. Его объявляли в слепом следовании математике, несмотря на физический смысл. Достаточно привести цитату Гейзенберга, к слову, близкого друга Дирака:
Остался вопрос — с чем отождествить дырку в окружающем нас мире? Дирак предложил протон. На что Оппенгеймер справедливо заметил, что это ставит под угрозу существование атома водорода — ведь протон и электрон тогда могли бы встретиться и исчезнуть.
Итак, мы приходим к экспериментальным поискам кандидата на роль «дырки» в дираковском море. Мы знаем, что она должна быть заряжена положительно и по массе примерно соответствовать электрону.
Предполагается, что первым странные частицы наблюдал Дмитрий Скобельцын в 20х годах. Ему удалось заметить в детекторе треки, похожие на электрон, но с положительным зарядом. Объяснить такой эффект он не смог, и статья опубликована не была.
После Скобельцына на историческую сцену выходят аспиранты нобелевского лауреата Роберта Милликена (премия за работы по фотоэффекту и измерению заряда электрона). Один их них — Чунг-Яо Чао, наблюдал прохождение фотонов через свинцовую фольгу. И тоже обнаружил необычные частицы. Но ни его руководитель, ни научное сообщество не поверило результатам, и признания они не получили. Второй аспирант, Карл Андерсон, к слову, друг Чао, наблюдал фотоны космических лучей в камере Вильсона. Его руководитель ожидал увидеть, как они будут раскалывать атомы на протоны и электроны. Частицы в камере летели в основном сверху вниз. И снова среди них обнаружились «электроны», отклоняющиеся в магнитном поле другую сторону — то есть положительно заряженные. Сначала Андерсон подумал, что это обычные электроны, но летящие снизу вверх. Он добавил в эксперимент свинцовую пластинку, чтобы убедиться, что частицы прилетели именно сверху. Но и тут Милликен не поверил своему аспиранту. Андерсон после продолжительных безуспешных попыток убедить шефа все же опубликовал свою работу. Надо отметить, что ни Андерсон, ни Милликен, скорее всего, не знали о теории Дирака. Ни у кого не возникло идеи отождествить необычные частицы с «дырками» в «море Дирака».
Следующий шаг сделали в Кембридже Блэкетт и Оккиалини. Они сумели сфотографировать достаточно большое число треков легких положительных частиц. Они уже знали о теории Дирака, но все равно не воспринимали ее всерьез.
Андерсон, прочитав работу коллег, опубликовал второе, более подробное описание своих экспериментов. Наконец, под напором большого числа доказательств общественность признала открытие позитрона — именно так была названа предсказанная Дираком частица. За свое открытие Андерсон получил в 1936 году Нобелевскую премию.
Замечу, что на сегодняшний день наблюдать антивещество может каждый. Инструкций как сделать облачную камеру Вильсона полно (например). Остается только добавить к ней электромагнит для разделения разноименно заряженных частиц.
Теперь мы знаем, что антивещество существует. В четком согласовании с теорией частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Обычно говорят об электрическом заряде. Но стоит помнить, что и другие квантовые заряды должны быть строго противоположны (или оба равны нулю). То есть, если частица участвует в сильном ядерном взаимодействии, то и античастица никуда не денется — будет участвовать.
Первое антивещество было обнаружено при помощи космических лучей. Сами эти лучи до земли не долетали, но порождали целые ливни вторичных частиц в атмосфере планеты. Вот их-то и увидел Андерсон и компания. Совершенно логично задаться вопросом — а сколько этого антивещества во Вселенной и где его искать? Как мы видим, на Земле его нет, иначе оно бы активно аннигилировало с обычным веществом. Есть ли оно в космосе? Тут ответить не так-то просто. В основном мы наблюдаем космос в электромагнитных лучах. То есть к нам прилетают фотоны. Они являются сами себе античастицей. И позитрон, и электрон породили бы абсолютно одинаковый фотон. Как и водород/антиводород. А вдруг все (кроме Земли) сделано из антивещества? И тогда при встрече нас ждет полное уничтожение в мощнейшей вспышке.
В реальности, космос не такой уж и пустой. В Солнечной системе полно астероидов, комет и пыли. Пыль, в астрономии — это, на всякий случай, все, что меньше метра в диаметре. Всё это постоянно сталкивается и взаимодействует друг с другом. Если бы где-то встретились мир и антимир, мы бы это сразу увидели. Давайте смотреть шире — галактика Млечный путь. Но и в ней полно газовых облаков, они не изолированы друг от друга. Граница мира и антимира должна была бы сиять очень и очень ярко. Хорошо, с галактикой понятно. Если идти в самые темные области Вселенной — в пространство между сверхскоплениями галактик, то и там найдется несколько атомов водорода на сотню кубометров. Да, это очень мало, но сигнал от аннигиляции должен приходить строго на одной частоте. Редкие события будут происходить во Вселенной постоянно и сигнал с четко определенной энергией не составит труда обнаружить. Пока что наши наблюдения показывают, что антивещества в больших масштабах во Вселенной нет.
Возникает фундаментальнейший вопрос: как же образовалось полное доминирование вещества над антивеществом? Можно предложить два сценария:
Первый путь кажется очень простым. Но он плохо согласуется с нашим пониманием ранней Вселенной. На ранних этапах она состояла в основном из излучения (фотонов), а у них нет антипартнеров. То есть они не могли создавать только частицы или античастицы. К тому же, эта гипотеза не очень элегантна. Столкнувшись с проблемой, мы искусственным образом фиксируем нужное нам значение параметра модели. Физика же, наоборот, старается минимизировать количество рукотворных (начальных) параметров и по-максимуму предоставить природе свободу.
Так что необходимо придумать способ как сгенерировать превосходство вещества над антивеществом при равных исходных пропорциях. В первую очередь зададимся вопросом — а насколько больше вещества было в ранней Вселенной? Наши наблюдения показывают, что на 10 000 000 000 тождественных пар кварк-антикварк, приходился один лишний кварк. Со временем эти миллионы пар проаннигилировали, а из одной «лишней» частицы и вышло все вещество Вселенной, которое мы можем видеть вокруг. Нам всего лишь остается придумать как именно образовалась такая ничтожная асимметрия, положившая начало нашему миру вещества.
Что же нам понадобится, чтобы создать такую асимметрию?
1) Необходим процесс, который меняет . Ведь понятно, что если мы рождаем/уничтожаем барионы и анти-барионы (читай, кварки/анти-кварки) вместе, то симметрию мы не нарушим.
Думаете это все? Как бы не так!
Вот нашли мы процесс, который создает больше барионов, чем анти-барионов. Открываем шампанское? Нет. Может запросто отыскаться зеркальный процесс, который создает анти-барионов больше ровно на такое же количество.
2а) Необходимо отличие в процессах для частиц и для анти-частиц. Это называется нарушением С-симметрии (charge, зарядовая).
2б) Еще нам потребуется, чтобы законы физики отличались в зеркально отраженном мире. Зачем еще и это? Допустим, у нас разные законы для частиц и для античастиц. Но вдруг они выражаются в том, что античастицы вылетают «влево», а частицы «вправо»? Опять все компенсируется. Нужно и эту симметрию нарушать. Это называется P-симметрией (parity, пространственная).
Всего в физике три фундаментальных симметрии — C, P, T. С первыми двумя вы познакомились, третья — временная, меняем течение времени на противоположное. Все вместе они должны сохраняться. Иначе поломается.
Чтобы как-то упорядочить кашу в вашей голове, которая уже окончательно заварилась, давайте посмотрим на простую картинку, которая наглядно покажет, что и как каждая симметрия меняет. Допустим у нас есть ядро кобальта. Оно представляет из себя маленький магнит, или, выражаясь более строго, имеет не нулевой спин. Ядро это радиоактивное и может испускать электроны. Как будет выглядеть эта картина, если мы применим разные симметрии?
С — меняет частицы на античастицы
P — меняет направление движения на обратное, но сохраняет направления вращения. Ведь если взять шарик летящий по кругу, развернуть его скорость и поместить в противоположную сторону окружности, он продолжит крутиться в ту же сторону. Спин (намагниченность) часто отождествляют именно с вращением, поэтому он при зеркальном отображении не меняется.
3) Все это должно сопровождаться дико неоднородными процессами: какой-нибудь фазовый переход или неоднородное расширение.
Третье условие во Вселенной соблюдалось, неоднородности там были страшные. Первое условия выходит за рамки этой и без того подробной статьи. Скажу только, что пути решения этой проблемы есть. Сосредоточимся на наиболее интересном, на мой взгляд, пункте под номером 2.
На первый взгляд условия кажутся фантастическими. Ведь мы же почти уверены, что частицы и античастицы абсолютно симметричны. А уж лево-право тем более! Не может же природа сама, без вмешательства человека определить, где лево, а где право? Оказывается может.
В 1956 году Ву проводит свой знаменитый эксперимент. Всё в точности, как на картинке, приведенной выше для пространственной (P) симметрии. Она сравнивает количество электронов, вылетевших вверх и вниз. И оно оказывается разным! Законы физики отличаются для нашего и зеркального мира.
Сказать, что физики удивились — ничего не сказать. Ландау потеря этой симметрии страшно разочаровала. Но он был уверен, что уж комбинированная симметрия частиц/античастиц и право/лево (CP) должна сохраняться.
Спойлер — нет. В 1964 году, наблюдая за К мезонами, удалось обнаружить нарушение CP симметрии. Спустя годы, этот эффект удалось открыть для B мезонов (2001), а этой весной (2019) было объявлено от открытии этого эффекта для D мезонов. Почему для разных частиц это важно? Они состоят из разных кварков. То, что эффект работает одинаково для всех из них, очень хорошо показывает, что наша кварковая модель отлично описывает реальность.
Казалось бы, всё, что нам нужно для создания Вселенной готово. Но нет. Эффект оказался слишком мал. Его не хватало даже для того, чтобы создать тот самый один лишний кварк на 10 000 000 000 пар кварк-антикварк.
Итак, решить эту проблему с помощью кварков не получилось. Что еще есть в Стандартной Модели элементарных частиц, что может помочь?
Лептоны (электрон, мюон, нейтрино и тд). Для них наблюдается такой интересный эффект: они могут по кругу менять свои сорта — превращаться друг в друга, этот процесс называется нейтринными осцилляциями. И вот именно в этом процессе можно найти так необходимое физике CP нарушение, которое может оказаться гораздо сильнее, чем для кварков.
В мире действует достаточно экспериментов, исследующих этот эффект. Но для того, чтобы измерить разницу между свойствами нейтрино и антинейтрино нужно наблюдать в одинаковых условиях оба этих типа частиц. Причем необходима огромная статистика, ведь эффект ожидается чрезвычайно малым. Обычно природа не так сильно чувствительна к разнице частиц и античастиц. В настоящий момент на такие измерения способны только ускорительные эксперименты, которые измеряют осцилляции нейтрино при пролете им сотен километров. Давайте разберем что это такое и как такое реализуют.
Еще в 60х годах 20го века впервые удалось использовать ускорители для рождения большого числа нейтрино. В начале 21го века эту технологию начали применять для исследования нейтринных осцилляций. Схема получения интенсивного пучка нейтрино достаточно простая: пучок протонов направляется на графитовую мишень, где сталкивается с атомами углерода. При этих столкновениях вылетает большое количество мезонов (пар кварк-антикварк). Это заряженные нестабильные частицы. Пока они не распались их фокусируют магнитным полем, чтобы создать интенсивный пучок, направленный строго в детектор. А потом они распадаются на нейтрино, и вот у нас уже огромное количество нейтрино летит строго в детектор.
Одним из ведущих экспериментов в мире в этой области — T2K (Tokai-to-Kamioka), построенный в Японии.
Нейтрино производятся на восточном побережья Японии с помощью ускорителя протонов. Затем они пролетают в толще Земли 300 километров и попадают в дальний детектор — 50 килотонную бочку с водой SuperKamiokande. На своем пути они могут менять свой тип: превращаются из мюонных нейтрино в электронные. Недавно были получены указания на то, что нейтрино и антинейтрино ведут себя по разному. А именно, нарушают ту самую CP симметрию.
Возможно, это составная часть механизма, который и позволил нашей Вселенной сформироваться почти исключительно из вещества.
Фотография внутри SuperKamiokande во время работ в прошлом году. У дальней стены видны люди в лодке, слева на плоту также работает человек.
Сейчас в мире работают два ускорительных нейтринных детектора T2K в Японии и NOvA в США. В ближайшее десятилетие планируются эксперименты нового поколения HyperKamiokande в Японии и DUNE в США. Первый будет представлять из себя существенно улучшенную версию SuperKamiokande. Бочка с водой станет в 5 раз больше, светочувствительные элементы станут более точными — все это позволяет надеяться на окончательное решение вопроса с отличием в поведении нейтрино и антинейтрино.
Говоря о разнице между частицами и античастицами, нельзя не упомянуть еще одну интересную особенность нейтрино. С самого начала статьи мы подразумевали, что, например, кварк и антикварк отличаются друг от друга. То есть они суть разные частицы. Для заряженных частиц это всегда так, ведь ее партнер должен обладать противоположным зарядом. Очевидно же, что они должны отличаться.
С нейтральными частицами все сложнее. Вдруг они могут являться и частицами и античастицами одновременно? Да, могут! Итальянский физик Этторио Майорана показал, что для нейтрино эти два состояния могут совпадать. Нейтрино уникально в том смысле, что ни кварки, ни заряженные лептоны (например, электрон/мюон) никак не могут обладать таким свойством.
Возможно, тут сообразительный читатель вспомнит про нейтрон — нейтральную частицу, которая вместе с протоном образует ядра атомов. Но нет, нейтрон — составная частица. Она состоит из кварков, а значит антинейтрон должен состоять из антикваров. Поскольку кварки обладают зарядом, то их антипартнеры должны отличаться от оригинальных частиц.
Нейтрино — уникальная в этом плане частица. И какую же пользу мы можем из этого извлечь? Представим себе нейтрино, которое родилось в обычном бета-распаде. Это будет анти-нейтрино. Вместе с ним из ядра вылетит электрон. Но вот взаимодействовать это анти-нейтрино может не как анти-частица, а как частица, ведь они могут быть одинаковые. В результате получится еще один электрон.
В результате: из ничего мы получили два электрона. Не позитрона, а именно электрона! Вот пример того, как можно получить преимущество вещества над антивеществом. Сейчас ведутся активные поиски аналога такого процесса. Он называется безнейтринный двойной бета-распад. Невероятно чувствительные установки (раз, два, три и т.д.) стоят глубоко под землей для защиты от проникающих лучей, часто в очень чистой среде. Они пытаются зарегистрировать хоть одно такое событие, которое приведет к рождению двух электронов из двух нейтронов. Открытие такого эффекта позволит однозначно указать, что нейтрино и антинейтрино — тождественные частицы. Но пока такие события не найдены и поиски продолжаются.
Уже в ближайшие годы мы можем ожидать интересных открытий в нейтринной физике, которые могут пролить свет на проблему доминирования вещества во Вселенной.
Stay tuned!
(с) Symmetry Magazine
Хочется поблагодарить коллег и сообщество ЦЕРНач за помощь в работе над статьей. Напоминаю, что в ЦЕРНаче можно найти свежие новости по физике частиц, а с недавних пор и стримы из самого ЦЕРНа.
В общем, вымыслов и домыслов предостаточно. В статье немного окунемся в историю: как почти чистая математика предсказала такой феномен, как им пытались «пренебречь», до тех пор, пока антивещество само не залетело в детекторы. Потом пробежимся по тому, что известно сейчас и дойдем до самой большой головной боли физиков — почему вещества во Вселенной оказалось больше, чем антивещества?
Это статья написана в продолжении ну о-о-очень вялотекущего цикла о нейтринной физике: открытие нейтрино, нейтринные осцилляции для чайников, нейтрино от сверхновых.
Немного истории
Начало квантовой механики
Зайдем издалека, почти с самого создания квантмеха. У физиков никак не получалось посчитать, как светится нагретое тело. То, что оно светится никто не спорит, благо невооруженным глазом видно, но вот в цифрах посчитать не получается — интеграл расходится, получается бесконечность. Макс Планк предлагает простой трюк — давайте будем считать, что свет излучается порциями, а не непрерывно. И вуаля — бесконечность исчезает, а результат расчетов отлично сходится с экспериментом. Забавно, что Планк очень долго доказывал, что это трюк чисто математический, и никакого физического смысла тут нет. Эйнштейн же сразу подхватил эту идею и предположил, что свет вообще существует исключительно в виде отдельных порций — фотонов. И потом еще долго спорил с Планком и объяснял ему, что тот открыл на самом деле.
Тут-то физики и развернулись. Возможность описать свет и как волну, и как летящую частицу сразу же вызвало предложение пройти обратным путем — описать частицу как волну, посчитать для нее волновые характеристики: длину, частоту. Экспериментальное подтверждение не заставило себя долго ждать, и в 1927 году удалось продемонстрировать интерференцию электронов при прохождении через две щели — чисто волновой эффект!
На волне этих идей Шредингер придумывает как описать любые частицы с помощью волнового уравнения. Не будем погружаться глубоко в математику, скажем лишь, что это уравнение позволяло для заданных условий вычислить волновые характеристики частицы: вероятность найти ее в том или ином месте, вероятность иметь определенную скорость и тд. Так в те времена описывали феномен корпускулярно-волнового дуализма.
Антивещество выходит на сцену
За 20 лет до этого Эйнштейн сформулировал свою специальную теорию относительности. В контексте нашей статьи чрезвычайно важна установленная им связь между массой, энергией и импульсом. Большинство людей вспомнят это знаменитое выражение только для покоящейся частицы . Она простая, красивая, но, к сожалению, не применима для движущихся частиц. Для них еще нужно учитывать и импульс (р):
И вот тут и сидит множество проблем! Они и приведут к открытию антивещества!
Уравнение Шредингера хорошо работало для не очень быстрых частиц. В таких случаях оставались верными знакомые всем со школы уравнения ньютоновской механики. Но нас окружает множество очень быстрых частиц и для них нужно использовать приведенное выше уравнение, связывающее энергию, импульс и массу. Проблема была в извлечении корня для нахождения энергии. Поль Дирак в 1930 придумал хитрый способ сделать это при помощи матриц и обобщил уравнение Шредингера на высокоэнергетичные частицы.
Тут он столкнулся с хорошо всем знакомой класса так с 7-го проблемой: извлечение корня дает два решения. Помните, решая задачи в школе, иногда вы получали отрицательные решения? Обычно при этом пишут «не имеет физического смысла» и в ответ старательно выписывают одно положительное решение. Например, считая когда встретятся движущиеся машины, вы получали ответы: -1 час и 3 часа, первый всегда отбрасывался. Он не лишен смысла, час назад машины действительно были в одной точке, но для ответа на вопрос: «Когда они встретятся в будущем?», — не годится.
Так вот, Дирак, обсчитывая движение электрона, получил решения с отрицательной энергией. Первой идеей было отбросить этот ответ как «не имеющий физического смысла». Но, как и в случае с машинами, какой-то смысл за этим решением все же должен быть!
Если допустить существование таких состояний с отрицательной энергией (и положительным зарядом), то в физике наступит полнейший хаос. Давайте рассмотрим это на примере простой картинки:
Здесь по вертикальной оси отложена энергия частицы. Сверху на желтом фоне обычные электроны с положительной энергией и отрицательным зарядом. Чем больше энергия, тем больше скорость — все интуитивно понятно. Но вот внизу… Огромная синяя экзотическая область. Там, если энергия уменьшается, иными словами уходит глубже в минус, то скорость растет. Это вообще как?!
Дальше — хуже. Ведь любая система стремится к минимуму энергии, шарик всегда будет стремиться оказаться на дне ямки. Так и абсолютно все электроны будут стремиться упасть в самый-самый низ, безостановочно разгоняясь… В общем, не останется в мире электронов.
Дирак, будучи влюбленным в красоту математики, настаивал, что решение должно иметь смысл. За это он был неоднократно критикован. Его объявляли в слепом следовании математике, несмотря на физический смысл. Достаточно привести цитату Гейзенберга, к слову, близкого друга Дирака:
Самой печальной главой современной физики есть и остается теория Дирака…Но Дирак продолжил спасать свою теорию, а заодно и всю физику. Он предположил, что эта синяя область уже заполнена электронами, и именно поэтому они туда сверху не падают — места нет (помните принцип Паули?). Просто свойство вакуума такое, что вся синяя область заполнена. Такой заполненный слой частиц называют “морем Дирака”. Тут любопытно рассмотреть два случая:
Я считаю ее попросту мусором, к которому никто не может относиться серьезно.
- Можно электрон в синей области очень сильно пнуть, например, фотоном. Он получит большую энергию и выскочит в желтую зону. Теперь у нас будет электрон (с положительной энергией — все в порядке) и дырка (отсутствие электрона) в синей зоне, которая будет вести себя как положительная частица.
- Отрицательно заряженный электрон, естественно, будет притягиваться к положительной дырке и даже может в нее упасть. Тогда и электрон перестанет существовать, и дырка — она же заполнится.
Остался вопрос — с чем отождествить дырку в окружающем нас мире? Дирак предложил протон. На что Оппенгеймер справедливо заметил, что это ставит под угрозу существование атома водорода — ведь протон и электрон тогда могли бы встретиться и исчезнуть.
Экспериментальное открытие
Итак, мы приходим к экспериментальным поискам кандидата на роль «дырки» в дираковском море. Мы знаем, что она должна быть заряжена положительно и по массе примерно соответствовать электрону.
Предполагается, что первым странные частицы наблюдал Дмитрий Скобельцын в 20х годах. Ему удалось заметить в детекторе треки, похожие на электрон, но с положительным зарядом. Объяснить такой эффект он не смог, и статья опубликована не была.
После Скобельцына на историческую сцену выходят аспиранты нобелевского лауреата Роберта Милликена (премия за работы по фотоэффекту и измерению заряда электрона). Один их них — Чунг-Яо Чао, наблюдал прохождение фотонов через свинцовую фольгу. И тоже обнаружил необычные частицы. Но ни его руководитель, ни научное сообщество не поверило результатам, и признания они не получили. Второй аспирант, Карл Андерсон, к слову, друг Чао, наблюдал фотоны космических лучей в камере Вильсона. Его руководитель ожидал увидеть, как они будут раскалывать атомы на протоны и электроны. Частицы в камере летели в основном сверху вниз. И снова среди них обнаружились «электроны», отклоняющиеся в магнитном поле другую сторону — то есть положительно заряженные. Сначала Андерсон подумал, что это обычные электроны, но летящие снизу вверх. Он добавил в эксперимент свинцовую пластинку, чтобы убедиться, что частицы прилетели именно сверху. Но и тут Милликен не поверил своему аспиранту. Андерсон после продолжительных безуспешных попыток убедить шефа все же опубликовал свою работу. Надо отметить, что ни Андерсон, ни Милликен, скорее всего, не знали о теории Дирака. Ни у кого не возникло идеи отождествить необычные частицы с «дырками» в «море Дирака».
Следующий шаг сделали в Кембридже Блэкетт и Оккиалини. Они сумели сфотографировать достаточно большое число треков легких положительных частиц. Они уже знали о теории Дирака, но все равно не воспринимали ее всерьез.
Андерсон, прочитав работу коллег, опубликовал второе, более подробное описание своих экспериментов. Наконец, под напором большого числа доказательств общественность признала открытие позитрона — именно так была названа предсказанная Дираком частица. За свое открытие Андерсон получил в 1936 году Нобелевскую премию.
Замечу, что на сегодняшний день наблюдать антивещество может каждый. Инструкций как сделать облачную камеру Вильсона полно (например). Остается только добавить к ней электромагнит для разделения разноименно заряженных частиц.
Теперь мы знаем, что антивещество существует. В четком согласовании с теорией частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположные заряды. Обычно говорят об электрическом заряде. Но стоит помнить, что и другие квантовые заряды должны быть строго противоположны (или оба равны нулю). То есть, если частица участвует в сильном ядерном взаимодействии, то и античастица никуда не денется — будет участвовать.
Антивещество во вселенной
Первое антивещество было обнаружено при помощи космических лучей. Сами эти лучи до земли не долетали, но порождали целые ливни вторичных частиц в атмосфере планеты. Вот их-то и увидел Андерсон и компания. Совершенно логично задаться вопросом — а сколько этого антивещества во Вселенной и где его искать? Как мы видим, на Земле его нет, иначе оно бы активно аннигилировало с обычным веществом. Есть ли оно в космосе? Тут ответить не так-то просто. В основном мы наблюдаем космос в электромагнитных лучах. То есть к нам прилетают фотоны. Они являются сами себе античастицей. И позитрон, и электрон породили бы абсолютно одинаковый фотон. Как и водород/антиводород. А вдруг все (кроме Земли) сделано из антивещества? И тогда при встрече нас ждет полное уничтожение в мощнейшей вспышке.
В реальности, космос не такой уж и пустой. В Солнечной системе полно астероидов, комет и пыли. Пыль, в астрономии — это, на всякий случай, все, что меньше метра в диаметре. Всё это постоянно сталкивается и взаимодействует друг с другом. Если бы где-то встретились мир и антимир, мы бы это сразу увидели. Давайте смотреть шире — галактика Млечный путь. Но и в ней полно газовых облаков, они не изолированы друг от друга. Граница мира и антимира должна была бы сиять очень и очень ярко. Хорошо, с галактикой понятно. Если идти в самые темные области Вселенной — в пространство между сверхскоплениями галактик, то и там найдется несколько атомов водорода на сотню кубометров. Да, это очень мало, но сигнал от аннигиляции должен приходить строго на одной частоте. Редкие события будут происходить во Вселенной постоянно и сигнал с четко определенной энергией не составит труда обнаружить. Пока что наши наблюдения показывают, что антивещества в больших масштабах во Вселенной нет.
Возникает фундаментальнейший вопрос: как же образовалось полное доминирование вещества над антивеществом? Можно предложить два сценария:
- Давайте постулируем, что во Вселенной с самого начало было больше вещества. С самого начала Большого Взрыва.
- Изначально, вещество и антивещество были в равных пропорциях. Затем каким-то образом вещества оказалось больше.
Первый путь кажется очень простым. Но он плохо согласуется с нашим пониманием ранней Вселенной. На ранних этапах она состояла в основном из излучения (фотонов), а у них нет антипартнеров. То есть они не могли создавать только частицы или античастицы. К тому же, эта гипотеза не очень элегантна. Столкнувшись с проблемой, мы искусственным образом фиксируем нужное нам значение параметра модели. Физика же, наоборот, старается минимизировать количество рукотворных (начальных) параметров и по-максимуму предоставить природе свободу.
Так что необходимо придумать способ как сгенерировать превосходство вещества над антивеществом при равных исходных пропорциях. В первую очередь зададимся вопросом — а насколько больше вещества было в ранней Вселенной? Наши наблюдения показывают, что на 10 000 000 000 тождественных пар кварк-антикварк, приходился один лишний кварк. Со временем эти миллионы пар проаннигилировали, а из одной «лишней» частицы и вышло все вещество Вселенной, которое мы можем видеть вокруг. Нам всего лишь остается придумать как именно образовалась такая ничтожная асимметрия, положившая начало нашему миру вещества.
Условия Сахарова
Что же нам понадобится, чтобы создать такую асимметрию?
1) Необходим процесс, который меняет . Ведь понятно, что если мы рождаем/уничтожаем барионы и анти-барионы (читай, кварки/анти-кварки) вместе, то симметрию мы не нарушим.
Думаете это все? Как бы не так!
Вот нашли мы процесс, который создает больше барионов, чем анти-барионов. Открываем шампанское? Нет. Может запросто отыскаться зеркальный процесс, который создает анти-барионов больше ровно на такое же количество.
2а) Необходимо отличие в процессах для частиц и для анти-частиц. Это называется нарушением С-симметрии (charge, зарядовая).
2б) Еще нам потребуется, чтобы законы физики отличались в зеркально отраженном мире. Зачем еще и это? Допустим, у нас разные законы для частиц и для античастиц. Но вдруг они выражаются в том, что античастицы вылетают «влево», а частицы «вправо»? Опять все компенсируется. Нужно и эту симметрию нарушать. Это называется P-симметрией (parity, пространственная).
Всего в физике три фундаментальных симметрии — C, P, T. С первыми двумя вы познакомились, третья — временная, меняем течение времени на противоположное. Все вместе они должны сохраняться. Иначе поломается.
Чтобы как-то упорядочить кашу в вашей голове, которая уже окончательно заварилась, давайте посмотрим на простую картинку, которая наглядно покажет, что и как каждая симметрия меняет. Допустим у нас есть ядро кобальта. Оно представляет из себя маленький магнит, или, выражаясь более строго, имеет не нулевой спин. Ядро это радиоактивное и может испускать электроны. Как будет выглядеть эта картина, если мы применим разные симметрии?
С — меняет частицы на античастицы
P — меняет направление движения на обратное, но сохраняет направления вращения. Ведь если взять шарик летящий по кругу, развернуть его скорость и поместить в противоположную сторону окружности, он продолжит крутиться в ту же сторону. Спин (намагниченность) часто отождествляют именно с вращением, поэтому он при зеркальном отображении не меняется.
3) Все это должно сопровождаться дико неоднородными процессами: какой-нибудь фазовый переход или неоднородное расширение.
Третье условие во Вселенной соблюдалось, неоднородности там были страшные. Первое условия выходит за рамки этой и без того подробной статьи. Скажу только, что пути решения этой проблемы есть. Сосредоточимся на наиболее интересном, на мой взгляд, пункте под номером 2.
Нарушения в кварках
На первый взгляд условия кажутся фантастическими. Ведь мы же почти уверены, что частицы и античастицы абсолютно симметричны. А уж лево-право тем более! Не может же природа сама, без вмешательства человека определить, где лево, а где право? Оказывается может.
В 1956 году Ву проводит свой знаменитый эксперимент. Всё в точности, как на картинке, приведенной выше для пространственной (P) симметрии. Она сравнивает количество электронов, вылетевших вверх и вниз. И оно оказывается разным! Законы физики отличаются для нашего и зеркального мира.
Сказать, что физики удивились — ничего не сказать. Ландау потеря этой симметрии страшно разочаровала. Но он был уверен, что уж комбинированная симметрия частиц/античастиц и право/лево (CP) должна сохраняться.
Спойлер — нет. В 1964 году, наблюдая за К мезонами, удалось обнаружить нарушение CP симметрии. Спустя годы, этот эффект удалось открыть для B мезонов (2001), а этой весной (2019) было объявлено от открытии этого эффекта для D мезонов. Почему для разных частиц это важно? Они состоят из разных кварков. То, что эффект работает одинаково для всех из них, очень хорошо показывает, что наша кварковая модель отлично описывает реальность.
Казалось бы, всё, что нам нужно для создания Вселенной готово. Но нет. Эффект оказался слишком мал. Его не хватало даже для того, чтобы создать тот самый один лишний кварк на 10 000 000 000 пар кварк-антикварк.
Как могут помочь нейтрино
Итак, решить эту проблему с помощью кварков не получилось. Что еще есть в Стандартной Модели элементарных частиц, что может помочь?
Лептоны (электрон, мюон, нейтрино и тд). Для них наблюдается такой интересный эффект: они могут по кругу менять свои сорта — превращаться друг в друга, этот процесс называется нейтринными осцилляциями. И вот именно в этом процессе можно найти так необходимое физике CP нарушение, которое может оказаться гораздо сильнее, чем для кварков.
В мире действует достаточно экспериментов, исследующих этот эффект. Но для того, чтобы измерить разницу между свойствами нейтрино и антинейтрино нужно наблюдать в одинаковых условиях оба этих типа частиц. Причем необходима огромная статистика, ведь эффект ожидается чрезвычайно малым. Обычно природа не так сильно чувствительна к разнице частиц и античастиц. В настоящий момент на такие измерения способны только ускорительные эксперименты, которые измеряют осцилляции нейтрино при пролете им сотен километров. Давайте разберем что это такое и как такое реализуют.
Ускорительные эксперименты с нейтрино
Еще в 60х годах 20го века впервые удалось использовать ускорители для рождения большого числа нейтрино. В начале 21го века эту технологию начали применять для исследования нейтринных осцилляций. Схема получения интенсивного пучка нейтрино достаточно простая: пучок протонов направляется на графитовую мишень, где сталкивается с атомами углерода. При этих столкновениях вылетает большое количество мезонов (пар кварк-антикварк). Это заряженные нестабильные частицы. Пока они не распались их фокусируют магнитным полем, чтобы создать интенсивный пучок, направленный строго в детектор. А потом они распадаются на нейтрино, и вот у нас уже огромное количество нейтрино летит строго в детектор.
Одним из ведущих экспериментов в мире в этой области — T2K (Tokai-to-Kamioka), построенный в Японии.
Нейтрино производятся на восточном побережья Японии с помощью ускорителя протонов. Затем они пролетают в толще Земли 300 километров и попадают в дальний детектор — 50 килотонную бочку с водой SuperKamiokande. На своем пути они могут менять свой тип: превращаются из мюонных нейтрино в электронные. Недавно были получены указания на то, что нейтрино и антинейтрино ведут себя по разному. А именно, нарушают ту самую CP симметрию.
Возможно, это составная часть механизма, который и позволил нашей Вселенной сформироваться почти исключительно из вещества.
Фотография внутри SuperKamiokande во время работ в прошлом году. У дальней стены видны люди в лодке, слева на плоту также работает человек.
Сейчас в мире работают два ускорительных нейтринных детектора T2K в Японии и NOvA в США. В ближайшее десятилетие планируются эксперименты нового поколения HyperKamiokande в Японии и DUNE в США. Первый будет представлять из себя существенно улучшенную версию SuperKamiokande. Бочка с водой станет в 5 раз больше, светочувствительные элементы станут более точными — все это позволяет надеяться на окончательное решение вопроса с отличием в поведении нейтрино и антинейтрино.
А должны ли частицы отличаться от античастиц?..
Говоря о разнице между частицами и античастицами, нельзя не упомянуть еще одну интересную особенность нейтрино. С самого начала статьи мы подразумевали, что, например, кварк и антикварк отличаются друг от друга. То есть они суть разные частицы. Для заряженных частиц это всегда так, ведь ее партнер должен обладать противоположным зарядом. Очевидно же, что они должны отличаться.
С нейтральными частицами все сложнее. Вдруг они могут являться и частицами и античастицами одновременно? Да, могут! Итальянский физик Этторио Майорана показал, что для нейтрино эти два состояния могут совпадать. Нейтрино уникально в том смысле, что ни кварки, ни заряженные лептоны (например, электрон/мюон) никак не могут обладать таким свойством.
Возможно, тут сообразительный читатель вспомнит про нейтрон — нейтральную частицу, которая вместе с протоном образует ядра атомов. Но нет, нейтрон — составная частица. Она состоит из кварков, а значит антинейтрон должен состоять из антикваров. Поскольку кварки обладают зарядом, то их антипартнеры должны отличаться от оригинальных частиц.
Нейтрино — уникальная в этом плане частица. И какую же пользу мы можем из этого извлечь? Представим себе нейтрино, которое родилось в обычном бета-распаде. Это будет анти-нейтрино. Вместе с ним из ядра вылетит электрон. Но вот взаимодействовать это анти-нейтрино может не как анти-частица, а как частица, ведь они могут быть одинаковые. В результате получится еще один электрон.
В результате: из ничего мы получили два электрона. Не позитрона, а именно электрона! Вот пример того, как можно получить преимущество вещества над антивеществом. Сейчас ведутся активные поиски аналога такого процесса. Он называется безнейтринный двойной бета-распад. Невероятно чувствительные установки (раз, два, три и т.д.) стоят глубоко под землей для защиты от проникающих лучей, часто в очень чистой среде. Они пытаются зарегистрировать хоть одно такое событие, которое приведет к рождению двух электронов из двух нейтронов. Открытие такого эффекта позволит однозначно указать, что нейтрино и антинейтрино — тождественные частицы. Но пока такие события не найдены и поиски продолжаются.
Уже в ближайшие годы мы можем ожидать интересных открытий в нейтринной физике, которые могут пролить свет на проблему доминирования вещества во Вселенной.
Stay tuned!
(с) Symmetry Magazine
Спойлер для вдумчивых
Упомянутые в статье корпускулярно-волновой дуализм и «море Дирака» являются устаревшими концепциями. Они красивы с эстетической точки зрения и легки для наглядных демонстраций. По факту «море» дает вакуум с бесконечным числом частиц и бесконечной плотностью энергии, что очень парадоксально. Создание квантовой электродинамики позволило решить эту проблему и сейчас процесс рождения/аннигиляции рассматривается исключительно с помощью инструментов квантовой теории поля.
Но предложенная идея «моря» нашла свое применение в физике твердого тела. Там вовсю оперируют понятиями электрона и «дырки». Но это уже не позитроны, а лишенные электрона атомы — ионы.
Но предложенная идея «моря» нашла свое применение в физике твердого тела. Там вовсю оперируют понятиями электрона и «дырки». Но это уже не позитроны, а лишенные электрона атомы — ионы.
Спойлер для очень вдумчивых
На самом деле это даже не электроны и ионы — это просто удобные абстракции для описания процессов. Поэтому, в физике твердого тела, эти псевдочастицы могут иметь почти любую массу, а иногда и почти любую скорость. Так появляются статьи с провокационными на первый взгляд заголовками, вроде «Ученые получили в кристалле электрон с отрицательной массой»
Все, теперь моя совесть по уточнениям чиста:)
Все, теперь моя совесть по уточнениям чиста:)
Хочется поблагодарить коллег и сообщество ЦЕРНач за помощь в работе над статьей. Напоминаю, что в ЦЕРНаче можно найти свежие новости по физике частиц, а с недавних пор и стримы из самого ЦЕРНа.
Источники
www.popmech.ru/science/9812-etyud-ob-antichastitsakh-antimateriya-antiveshchestvo-chto-eto-takoe/#part1
multimidia.ufrgs.br/conteudo/frontdaciencia/dirac%20antimatter%20paper.pdf
Dirac, P. A. M. (1930). «A Theory of Electrons and Protons». Proc. R. Soc. Lond. A. 126 (801): 360–365. Bibcode:1930RSPSA.126..360D. doi:10.1098/rspa.1930.0013. JSTOR 95359
multimidia.ufrgs.br/conteudo/frontdaciencia/dirac%20antimatter%20paper.pdf
Dirac, P. A. M. (1930). «A Theory of Electrons and Protons». Proc. R. Soc. Lond. A. 126 (801): 360–365. Bibcode:1930RSPSA.126..360D. doi:10.1098/rspa.1930.0013. JSTOR 95359
eandr_67
Излучение света порциями — да, Планк. Но поглощение порциями — это уже Эйнштейн в своей теории фотоэффекта, за которую (с припиской «и за другие работы») ему Нобелевскую премию дали.
OneType
Изначально первый закон фотоэффекта был открыт Александром Столетовым, эйнштeйн сплагиатил его (второй закон это частный случай первого), также как и теорию относительности у Анри Пуанкаре. Нoбeлевки как правило раздают cиoнaм, которых внедряют в интернациональные научные коллективы и присваивают им заслуги.
Cerberuser
И раз дают, и два дают, и десять дают...
Misaka10032
А если посмотреть и увидеть, что этот бред ещё и плюсанули двое, то становится ещё печальнее :(
DreamChild
Я ожидал бы увидеть эту чушь про жидомасоносионистов где-нибудь на Одноклассниках, но никак не тут
Peacemaker
ЕМНИП, премию дали Однокамушкину не за открытие, а за объяснение механизма фотоэффекта.
OneType
То есть по вашему, Александр Столетов открыл явление фотоэффекта но не удосужился объяснить суть своего открытия? И оставил бремя объяснений альбертику? :) Так можно продолжить вашу логику, и признать что действительно основоположник и первооткрыватель ОТО был Анри Пуанкаре, а альбертик опять таки всем объяснил эту теорию :) В результате ничего он не открывал, а только якобы объяснял, странно что объяснения первооткрывателей его не удовлетворяли :)
P.S. К сожалению, отвечать вам могу только одним сообщением в сутки.
Cerberuser
При словах "на волне этих идей" задумался, можно ли описывать идеи в терминах частиц :)
А если серьёзно — спасибо. Как по мне, очень даже научно, даже несмотря на возможные мелкие промахи типа отмеченного в первом комментарии, и очень даже популярно.
vadim_bv
Тему эксперимента OPERA как-то обошли, что тут, что в статье про осцилляции. Тем более странно, что вы пользуетесь источниками из ЦЕРНа.
Bars21 Автор
Мне не кажется, что OPERA сделал что-то прям прорывное.
Тау лептоны были давно известны, тау-нейтрино открыл до них DONUT. Все (!) параметры нейтринных осцилляций можно померить без участия тау-нейтрино.
SNO фактически померил процесс nu_e --> nu_mu+nu_tau, то есть косвенно осцилляции в тау были померяны.
Измерения OPERA не были самыми точными. Они скорее подтвердили прямым методом то, что было очень точно померяно косвенно. Что безусловно важно, но прорывом назвать сложно. В статьях пищу в основном о ключевых открытих и экспериментах.
Если уж говорить о мнении многих нейтринщиков, то OPERA больше относят вообще к политическим проектам. Да и CERN в целом в нейтринную физику не очень. За исключением, пожалуй, последнего года…
Victor_koly
А в некоторых других ядрах такое происходит, то есть электрон влетает в протон и порождает нейтрон + нейтрино.
Bars21 Автор
Справедливо.
Но все же одно дело захват электрона, который происходит чрезвычайно редко (слабое взаимодействие как-никак), а другое — аннигиляция, которая проиходит гораздо быстрее и действительно не оставила бы нам ни одного атома.
Victor_koly
Если мы говорим про антипротон, то при его аннигиляции может родиться несколько пи-мезонов, а потом уже они распадутся. Энергия выйдет разная, зависящая от энергии пиона.
А я голосую за кварк-глюонную плазму с kT > m(t_quark).
Bars21 Автор
да, вы правы, слишком упростил и опустил протонный случай. надо будет добавить уточнение.
это была скорее отсылка в целом к эре доминирования излучения.
Спасибо, добавлю уточнение. А то сейчас действительно смотрится как будто там были исключительно фотоны.
Victor_koly
Конечно в эпоху типа t < (h/(1 ГэВ)) было все куда сложнее. Всякие тяжелые частицы не успевали может распасться за время остывания до такой температуры, что они уже не могли рождаться.
Victor_koly
Это Вы наверное про эффективную массу. В каких-то случаях она может быть меньше нуля. И типичным значением для электронов и дырок в п/п будут десятые и сотые доли массы электрона.
paluke
Если нейтрино — майорановский фермион, то почему эксперименты с нейтринными осцилляциями не видят превращения нейтрино в антинейтрино?
Bars21 Автор
о, хороший вопрос!
Тут хитро. Нейтрино и антинейтрино поляризовано. Если представлять спин, как вращение, то оно может вращаться по часовой или против относительно того, куда летит.
И вот выяснилось, что нейтрино всегда против часовой, а антинейтрино по часовой.
Вопрос про Майорановский фермион сводится к тому, что является ли частица сама по себе одной и той же. То есть различия, которые мы видим, приходят от поляризации или сами частицы разные?
Так как в осцилляционных экспериментах мы рождаем вполне определенные нейтрино (крутятся против часовой) они не могут «закрутиться» в другую сторону. А сама частица вполне себе может быть одной и той же.
qwertyRu
т.е. мы должны при определнных условиях увидеть аннигиляцию позитрона-электрона?
Bars21 Автор
аннигиляцию увидеть сложно — нужно регистрировать два фотона. Они не заряжены, треков не оставляют, вероятность взаимодействия не такая высокая.
А вот конверсию фотона в электрон и позитрон — запросто. Как раз так и открыли позитрон.
qwertyRu
Bars21 Автор
про камеру Вильсона ссылки уже были, про них куча статей и видео, тут я ничего нового не расскажу:) делали как-то по фану, очень занимательно.
а вот какой магнит собрать — надо прикинуть.
ioannes
Главное понять, что наблюдать!
А то летают всякие черточки…
Victor_koly
Может где-то над Эверестом чуть больше будет фотонов таких энергий. Но фотону нужно ещё столкнуться с чем-то, чтобы в системе ЦМ вышла достаточная энергия фотона.
LordDarklight
ВеликолепнаяХорошая статья. Очень доходчиво написана. Но… к сожалению — у статьи очень хорошее начало, но плохая середина и скверное окончание.Предыстория написана отлично. Но как перешли к античастицам (после экспериментов по их обнаружению) — сразу провал — фактически определения не дано, про отличия — сказано лишь про разницу в заряде, и про противоположности квантовых состояний (без уточнения деталей), практически отсутствует классификация известных частиц относительно их пар (в т.ч. с деталями для составных частиц). Далее идёт ливень вставленных в контекст терминов: кварки, мюоны, лептоны… без хотя бы краткого пояснения как это всё вылилось из рассказанной выше предыстории формирования квантовой механики.
Ну, а когда перешли к нейтрино… хм… так там вообще нет границы начала повествования — откуда они взялись для чего нужны… и что там в взаимными преобразованиями. И в итоге очень трудно понять — как же всё эти свойства нейтрино повлияли на нарушение симметрии вещество/антивещество — в результате которой антивещества в наблюдаемой вселенной не осталось. Про нарушения симметрии вообще очень плохо всё расписано. Вот если бы всё было как в начале статьи — то получилась бы отличная статья для не-физиков — для расширения кругозора… а так… увы — в общем пишите продолжение! Ну или делайте контекстные отсылки к другим разделам других статей, в т.ч. Вашим. И ещё «на 10 000 000 000 тождественных пар кварк-антикварк, приходился один лишний кварк. Со временем эти миллионы пар проаннигилировали, а из одной «лишней» частицы и вышло все вещество Вселенной, которое мы можем видеть вокруг.» не очень удачная фраза — её трудно сразу понять правильно — лучше бы поставить после «на» и перед числом слово «каждые» — что было бы понятно — что тут просто соотношение 1:10 000 000 000 а не то что из этого единственного выжившего кварка родилась вся наблюдаемая вселенная!
Bars21 Автор
да, вы правы. Начало статьи написано на одном дыхании в июле, вторая часть дописывалась в муках в сентябре.
Детали про квантовые состояния — это уже близко к уровню учебника. В рамках этой статьи рассуждать, например, про изоспин кажется уже слишком. Возникнет сразу много уводящих вопросов.
Это же же целый Particle Data Group report будет! Впрочем, картинку со Стандартной моделью я добавлю, она действительно должна быть.
Становление Стандартной Модели это не то, что отдельная статья, это серия статей:) Но основную схему СМ, конечно, добавлю.
История их открытия и осцилляций есть в предыдущих статьях. Ссылки по тексту вставлены.
Поинмаете в чем беда: нельзя рассказать при чем тут нейтрино, не объяснив что такое CP нарушение. Я постарался дать этот материал наиболее доступно без ухода в делали (честно говоря, намучился) Картинка наглядная, условия Сахарова популярно растолкованы.
Если вы знаете статью, которая сделала это лучше, не уходя глубже в науку — с радостью почитаю и поучусь, как писать. Я таких не находил.
ЗЫ замечание по стилистике хорошее, поправлю
Victor_koly
Так можно дойти и до того, что из 5 кварков могут состоять мезоны (все открыты варианты) и барионы (открыты далеко не все). А все потому, что сложно родиться одновременно в барионе 2 тяжелым кваркам (b + c скажем).
TorAx40
А поподробнее вот об этом «Пока что наши наблюдения показывают, что антивещества в больших масштабах во Вселенной нет.» можно? Примеры, на чем основывается данный постулат. Грубо — чем галлактика из антивещества будет наблюдаемо отличатся от такой же из вещества учитывая разреженность и удаленнсть межгаллактического пространства. Отсуствие какастрофических событий? Да вроде катастрофическими событиями вселенная насыщена до предела, и где там сверхновая, а где встреча двух звезд из противовещества хрен разберешь. Так с чего вдруг уверенность?
Bars21 Автор
Там как раз перед процитированной фразой:
Между галактиками — «полно» газа. Между скоплениями галактик меньше, но и там «несколько атомов водорода на сотню кубометров». Если учесть огромные мастшабы пространства и то, что такие столкновения будет легко отличить (будут обладать определенной энергии), то можно оценить ожидаемый сигнал для сценария «Наша местная группа галактик из вещества, а соседняя из антивещества».
Оценили, ожидается большой сигнал, померили — ничего не увидели.
Статьи сейчас под рукой нет, к сожадению, но смысл такой.
nehaev
Если сталкивающиеся газ и антигаз электрически нейтральны, они могут аннигилировать только за счет сильного и слабого взаимодействия, правильно?
Victor_koly
Так столкнутся электроны/позитроны оболочек атомов, а потом — ядра.
geleos27
Еще один ламерский вопрос: А каков шанс что скопления материи и антиматерии физически разнесены в 4 измерении? Возможно между скоплениями материии и антиматерии есть прослойка из частиц (именно между скоплениями), которая не дает им взаимодействовать между собой?
Т.е. наша наблюдаемая вселенная — это часть вселенной в которой преобладают обычные частицы, соответственно есть другая часть, в которой преобладают анти-частицы.
Если есть статьи\исследования по этому поводу — поделитесь пожалуйста ссылкой. Если полный бред — можно пожалуйста объяснить почему?
Bars21 Автор
4е измерение — имеется в виду пространственное?
в макро мире 4е измерение не получается вписать. Например, сломаются законы Кулона или Ньютона — а это основа основ.
Тут нужна хорошая количественная оценка. Сразу возникнут вопросы:
1) А почему «между»? Если они гравитируют, то должны притягиваться к скоплениям, как и обычная материя
2) Каким образом они «препятствуют»? Какой-то новый тип взаимоджействия?
Это очень сильные постулаты. Пока пытаемся разобраться без таких новых конструкций.
К сожадлению, мы можем рассуждать физически только о наблюдаемой Вселенной. Все остальное будет спекуляцией без возможности проверки. Может там и есть антиматерия, а может там единороги на радуге.
Если мы не сможем придумать механизм как из НАШЕЙ Вселенной исчезло антивещество, то с таким же успехом мы можем просто задать это как начальное условие. В статье про это всколзь упомянуто.
geleos27
Bars21 Огромное спасибо за развернутый ответ!
Затрудняюсь ответить. Но если спроецировать пространство в плоскость, то суть как у PN перехода. С той стороны — анти, с нашей — обычные частицы. Соответственно по аналогии, если собрать с нашей стороны критическую массу античастиц, то мы должны увидеть "пробой" этой прослойки и лавинообразное возникновение антивещества. (при условии что оно не будет аннигилировать с веществом быстрее чем возникает)
По идее наоборот, только практически полное отсутствие взаимодействия с этим типом частиц не разрушит мембрану из них. Либо их кратно больше чем вещества и антивещества вместе взятых и они "обвалакивают" скопления частиц не давая им аннигилировать между собой.
geleos27
Почитал вики, понял что несу хрень. Удалаюсь.
Victor_koly
Нужно поле, которое будет отталкивать заряженные частицы любого знака. И будем надеяться, что свободные нейтроны/антинейтроны пролетать не будут.
Peacemaker
Насколько я понимаю, если грубо, то галактика из антивещества при движении в космическом пространстве будет наталкиваться «передней» по ходу движения частью на атомы обычного вещества (водород) из межгалактического пространства. Аннигиляция даёт постоянный выброс фотонов, и это излучение должно было бы фиксироваться, а этого в наблюдаемой Вселенной нет.
lingvo
Сорри за ламерский вопрос: но если известно, что реакция вещества с антивеществом дает аннигиляцию + энергию, то можно ли получить искусственные вещество + антивещество из ничего, затратив ту же энергию (ну или вообще затратив энергию)?
Разве это было бы не лучшим доказательством, чем поиск "естественного" антивещества?
Как дополнительные вопросы от ламера:
Victor_koly
Есть много способов получить антиматерию. Вот здесь скажем сталкивают протоны высоких энергий с мишенью из меди или никеля.
Вот так создавали позитроны для LEP:
en.wikipedia.org/wiki/LEP_Pre-Injector#Operation
Хранить пробуют в магн. бутылке.
Bars21 Автор
Запросто. Прилетел из космоса фотон, в атмосфере Земли породил электрон и позитрон. Обычно Это и называют превращением излучения в вещество.
да так же как и обычное. ничем не отличается. Вот трогать не надо только:)
Есть такая хитрая ловушка, которая создает электрическое и магнитное поле так, чтобы частицы не могли из нее вылететь. Ну и вакуум внутри, естественно. Антивещество получают на ускорителях и оно живет недолго (максимум минуты) пока не проведут все нужные измерения.
lingvo
Ну я так понимаю, что электроны/протоны/нейтроны относятся к веществу с точки зрения ядерной или квантовой физики.
Меня же интересуют атомы, как вещество. Как получить 1мг антиводорода, например?
Victor_koly
Создать почти 1 мг антипротонов (это много) и равное число позитронво и потом свести водном месте.
lingvo
И если я не ошибаюсь, мы до сих пор не особо умеем этого делать даже с обычным веществом.
Bars21 Автор
С обычным веществом оно «само» все делает.
Молния ударила — получили ионы и электроны отдельно. Потом они быстро «воссоединяются». Точно такой же эффект.
С антивеществом сложнее, потому что его удерживать в ловушке сложно. А так, если набрать много позитронов и анти-протонов, то они отлично себе будут формировать анти-атомы. Рекорд по удержанию антиводорова — 15 минут, по-моему. Анли-гелий и анти-литий тоже получали.
Тут другая беда. Когда они стали атомом — он уже нейтрален. И фиг его в ловушке из магнитных полей ужержишь. Коснется случайно стенки — и проаннигилирует.
LordDarklight
Почему получаемое на ускорителях антивещество не стабильно? Или тот же вопрос для обычного вещества — почему оно не стабильно при получении на ускорителях?
Victor_koly
Оно не «нестабильно», а быстро сталкивается с обычным веществом и аннигилирует.
vtools
Прошу пояснить почему в мощнейшей вспышке? Термин вспышка подразумевает выделение энергии. А вы же сами выше пишите про встречу электрона и дырки как «перестанет существовать»…
Может правильно написать «в мощнейшей темноте»?
И если мое предположение верно, то вот эта ваша мысль не верна:
delimer
Доказали, что есть небольшая асимметрия среди кварков. Но есть ли доказательство того, что это асимметрия глобальна? Вдруг эта асимметрия связана с тем, что опыты ставятся во вселенной из вещества и таким образом само пространство вселенной влияет на результаты.
Bars21 Автор
Тут сидит большая беда космологии — Вселенная одна, других нет. Как там в других Вселенных никто не рассказывает.
Асимметрия обоснована в теории и найдена для отдельных частиц. Как может влиять вся Вселенная не видно даже в теории. А в эксперименте проверить, естественно нельзя, потому что [первое предложение].
phenik
Вот еще одна гипотеза объясняющая асимметрию. Ждем открытия новых частиц Хиггса)
Victor_koly
Есть высокая вероятность, что их (более тяжелые частицы) не откроет даже сеанс HE-LHC.
phenik
Повод построить новый коллайдер) они уже там что-то проектируют, вот и цель — опять бозоны Хиггса!
Victor_koly
Да, потом у них в планах FCCee (изучение в т.ч. рождения бозона Хиггса по каналу рождения e + anti-e -> Z + H) и FCChh (назван 100 TeV proton-proton collider).
Bars21 Автор
Сугубое ИМХО: плодить гипотезы вокруг экзотических Хиггсов можно беспонечно. Их собственно уже куча. Проблема в экспериментальной проверке. Ее может лет сто не быть…
Чем мне больше нравится нейтринная физика — через лет 10 мы будет точно знать ответ: да или нет.
Да, уже вовсю проектируют… Беда в том, что совершенно не факт, что новые коллайдеры что-то найдут, а остановиться в наращивании мощностей сложно…
phenik
Victor_koly
Есть и такая область поиска:
old.elementy.ru/LHC/novosti_BAK/433084
Повышение энергии с 13 до 27 ТэВ поможет что-то обнаружить, либо — расширить область энергий, в которой нет этих частиц.
Comod
Скорее всего изначально никакой асимметрии не было, а появилось две зеркальные вселенные, или даже одна вселенная, но так сказать двухсторонняя. Представим, что наша вселенная находится на внешней поверхности расширяющейся 3-сферы(во времени), а другая на внутренней, или наоборот. это значение не имеет.