Oorlog tussen deeltjes en antideeltjes: wat is antimaterie. Antideeltjes Wat gebeurt er als een deeltje en een antideeltje elkaar ontmoeten

In feite is de bewering dat de interactie van deeltjes en antideeltjes steevast de geboorte van fotonen met zich meebrengt, niet waar, zelfs niet als het gaat om elektronen en positronen. Een vrij elektron-positronpaar annihileert en vormt alleen elektromagnetische kwanta als de energie ervan niet te hoog is. Zeer snelle elektronen en positronen zijn in staat positieve en negatieve pi-mesonen (ook wel pionen genoemd), plus- en min-muonen, protonen en antiprotonen, en zelfs zwaardere deeltjes te genereren - net genoeg energie. Langzame protonen en antiprotonen geven tijdens annihilatie aanleiding tot geladen en neutrale pionen (en snelle tot andere deeltjes), die vervallen tot gammastraling, muonen en neutrino's. In principe kan een botsing tussen een deeltje en zijn antikopie resulteren in elke combinatie van deeltjes die niet verboden is door de principes van symmetrie en behoudswetten.

Het lijkt misschien dat vernietiging niet verschilt van andere interacties tussen deeltjes, maar het heeft één fundamenteel kenmerk. Om stabiele deeltjes, zoals protonen of elektronen, een stortvloed van exotische bewoners van de microkosmos te laten genereren wanneer ze elkaar ontmoeten, moeten ze op de juiste manier worden verspreid. Langzame protonen zullen eenvoudigweg hun snelheid veranderen wanneer ze elkaar ontmoeten, en dat zal het einde van de zaak zijn. Maar als het proton en het antiproton elkaar naderen, zullen ze ofwel elastische verstrooiing ondergaan en zich verspreiden, ofwel vernietigen en secundaire deeltjes produceren.

Al het bovenstaande is van toepassing op de vernietiging van vrije deeltjes. Als tenminste één ervan deel uitmaakt van een kwantumsysteem, blijft de situatie in principe hetzelfde, maar veranderen de alternatieven. De vernietiging van een vrij elektron en een vrij positron kan bijvoorbeeld nooit slechts één kwantum genereren - de wet van behoud van momentum staat dit niet toe. Dit is het gemakkelijkst te zien als je werkt in het systeem van het traagheidsmiddelpunt van het botsende paar - dan zal het initiële momentum gelijk zijn aan nul en kan daarom op geen enkele manier samenvallen met het momentum van een enkel foton, waar het ook vliegt . Als een positron een elektron tegenkomt dat deel uitmaakt van bijvoorbeeld een waterstofatoom, is vernietiging van één foton ook mogelijk - in dit geval wordt een deel van het momentum overgedragen naar de atoomkern.

Hoe zit het met anti-graf?

De Engelse natuurkundige Arthur Schuster geloofde dat antimaterie door de zwaartekracht wordt afgestoten van gewone materie, maar de moderne wetenschap acht dit onwaarschijnlijk. Uit de meest algemene principes van symmetrie van de wetten van de microwereld volgt dat antideeltjes door zwaartekracht tot elkaar aangetrokken moeten worden, net als deeltjes zonder het voorvoegsel ‘anti’. De vraag wat de zwaartekrachtinteractie van deeltjes en antideeltjes is, is nog niet volledig opgelost, maar het antwoord daarop ligt vrijwel voor de hand.
Laten we eerst eens kijken naar Einsteins algemene relativiteitstheorie. Het is gebaseerd op het principe van strikte gelijkheid van zwaartekracht- en traagheidsmassa's, en voor gewone materie is deze bewering experimenteel bevestigd door vele nauwkeurige metingen. Omdat de traagheidsmassa van een deeltje exact gelijk is aan de massa van zijn antideeltje, lijkt het zeer waarschijnlijk dat hun zwaartekrachtmassa ook gelijk is. Dit is echter nog steeds een aanname, zij het zeer plausibel, en kan niet worden bewezen door middel van de algemene relativiteitstheorie.

Dit is de registratie van straling met energie die kenmerkend is voor vernietiging, of de directe registratie van antideeltjes op basis van massa en lading. Omdat antiprotonen en antiheliumkernen niet door de atmosfeer kunnen vliegen, is hun detectie alleen mogelijk met behulp van instrumenten die op ballonnen in de hoge lagen van de atmosfeer zijn geplaatst, of orbitale instrumenten, zoals de AMS-01 magnetische alfaspectrometer, geleverd aan de Mir station in 1998, of zijn aanzienlijk verbeterde broer AMS-02 (foto), die zijn werk aan het ISS zal beginnen.

BELANGRIJKSTE MANIEREN OM NAAR ANTI-MATTER TE ZOEKEN

Een ander argument tegen de zwaartekrachtafstoting tussen materie en antimaterie komt voort uit de kwantummechanica. Laten we niet vergeten dat hadronen (deeltjes die deelnemen aan sterke interacties) bestaan uit quarks die aan elkaar zijn gelijmd door gluonbindingen. Elke baryon bestaat uit drie quarks, terwijl mesonen bestaan uit gepaarde combinaties van quarks en antiquarks, en niet altijd dezelfde (een meson, dat een quark en zijn eigen antiquark omvat, is een werkelijk neutraal deeltje in de zin dat het volledig identiek is aan zijn antitimeson). Deze quarkstructuren kunnen echter niet als absoluut stabiel worden beschouwd. Een proton bestaat bijvoorbeeld uit twee u-quarks, die elk een elementaire elektrische lading van +2/3 dragen, en één d-quark met een lading van -1/3 (het proton heeft dus een lading van +2/3). 1). Deze quarks kunnen echter, als gevolg van de interactie met gluonen, gedurende een zeer korte tijd van aard veranderen - in het bijzonder in antiquarks veranderen. Als deeltjes en antideeltjes door de zwaartekracht worden afgestoten, zou het gewicht van het proton (en natuurlijk het neutron) zwakke trillingen moeten veroorzaken. Tot nu toe heeft echter geen enkel laboratorium een dergelijk effect ontdekt.

Er bestaat geen twijfel dat Zijne Majesteit Experiment op een dag deze vraag zal beantwoorden. Er is maar een klein beetje voor nodig om meer antimaterie te verzamelen en te zien hoe deze zich gedraagt in het zwaartekrachtveld. Deze metingen zijn echter technisch ongelooflijk complex en het is moeilijk te voorspellen wanneer ze kunnen worden uitgevoerd.

DUS WAT IS HET VERSCHIL?

Na de ontdekking van het positron waren bijna alle natuurkundigen er een kwart eeuw lang van overtuigd dat de natuur geen onderscheid maakt tussen deeltjes en antideeltjes. Meer specifiek werd aangenomen dat elk fysisch proces waarbij deeltjes betrokken zijn, overeenkomt met exact hetzelfde proces waarbij antideeltjes betrokken zijn, en dat ze beide met dezelfde waarschijnlijkheid plaatsvinden. Beschikbare experimentele gegevens gaven aan dat dit principe wordt waargenomen voor alle vier fundamentele interacties: sterk, elektromagnetisch, zwak en zwaartekracht.
En toen veranderde plotseling alles dramatisch. In 1956 publiceerden de Amerikaanse natuurkundigen Li Zongdao en Yang Jenning een Nobelprijswinnend artikel waarin zij de moeilijkheid bespraken dat twee schijnbaar identieke deeltjes, het theta-meson en het tau-meson, vervallen in verschillende aantallen pionen. De auteurs benadrukten dat dit probleem kan worden opgelost als we aannemen dat dergelijk verval verband houdt met processen waarvan de aard verandert tijdens de overgang van rechts naar links, met andere woorden, met spiegelreflectie (iets later beseften natuurkundigen dat in het algemeen we moeten het hebben over reflecties in elk van de drie coördinaatvlakken - of, wat hetzelfde is, over het veranderen van de tekens van alle ruimtelijke coördinaten, ruimtelijke inversie). Dit betekent dat het gespiegelde proces verboden kan zijn of met een andere waarschijnlijkheid kan plaatsvinden dan vóór de reflectie. Een jaar later bevestigden Amerikaanse onderzoekers (die tot twee onafhankelijke groepen behoorden en met verschillende methoden werkten) dat dergelijke processen echt bestaan.
Dit was nog maar het begin. Tegelijkertijd realiseerden theoretische natuurkundigen uit de USSR en de VS zich dat de schending van de spiegelsymmetrie het mogelijk maakt om de symmetrie met betrekking tot de vervanging van deeltjes door antideeltjes te schenden, wat ook herhaaldelijk in experimenten is bewezen. Het is vermeldenswaard dat kort vóór Lee en Yang, maar nog steeds in 1956, de mogelijkheid om de spiegelsymmetrie te doorbreken werd besproken door experimenteel natuurkundige Martin Block en de grote theoreticus Richard Feynman, maar dat zij deze overwegingen nooit publiceerden.

Tijdens een van de laatste shuttle-missies (STS-134) in 2010 zal een nieuw wetenschappelijk instrument aan het ISS worden geleverd: een alfamagnetische spectrometer (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer). Het prototype AMS-01 werd in 1998 aan boord van het Mir-ruimtestation afgeleverd en bevestigde de functionaliteit van het concept. Het hoofddoel van het wetenschappelijke programma zal zijn om met hoge precisie de samenstelling van kosmische straling te bestuderen en te meten, evenals de zoektocht naar exotische vormen van materie - donkere materie, vreemde materie (deeltjes die vreemde (s) quarks bevatten), evenals als antimaterie - in het bijzonder antiheliumkernen.

AMS OP ISS

Natuurkundigen duiden spiegelreflectie traditioneel aan met de Latijnse letter P, en de vervanging van deeltjes door hun antideeltjes met de letter C. Beide symmetrieën worden alleen verbroken in processen waarbij de zwakke interactie betrokken is, precies degene die verantwoordelijk is voor het bèta-verval van atoomkernen. Hieruit volgt dat juist door zwakke interacties er verschillen zijn in het gedrag van deeltjes en antideeltjes.
Een vreemde schending van de spiegelsymmetrie gaf aanleiding tot pogingen om dit met iets te compenseren. Al in 1956 suggereerden Lee en Yang en onafhankelijk Lev Landau dat de natuur geen onderscheid maakt tussen systemen die van elkaar worden verkregen door de gezamenlijke toepassing van de transformaties C en P (de zogenaamde CP-symmetrie). Vanuit theoretisch oogpunt zag deze hypothese er zeer overtuigend uit en sloot bovendien goed aan bij experimentele gegevens. Slechts acht jaar later ontdekten onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory echter dat een van de ongeladen K-mesonen (of kaonen, zoals ze ook worden genoemd) kan vervallen tot een pionpaar. Als CP-symmetrie strikt wordt nageleefd, is een dergelijke transformatie onmogelijk - en daarom is deze symmetrie niet universeel! Het is waar dat het aandeel schijnbaar verboden verval niet groter was dan 0,2%, maar ze vonden nog steeds plaats! Deze ontdekking leverde de leiders van het Brookhaven-team, James Cronin en Val Fitch, de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

SYMMETRIE EN ANTI-MATTER

Schendingen van de CP-symmetrie houden rechtstreeks verband met het verschil tussen materie en antimaterie. Eind jaren negentig voerde CERN een heel mooi experiment uit met neutrale K 0 kaonen, die elk uit een d-quark en een massiever vreemd antiquark bestaan. De natuurwetten zorgen ervoor dat een antiquark een deel van zijn energie kan verliezen en in een anti-d kan veranderen. De vrijkomende energie kan leiden tot het verval van de kaon, maar het is mogelijk dat het naburige d-quark deze absorbeert en in een vreemde quark verandert. Als resultaat zal er een deeltje verschijnen dat bestaat uit een anti-d-quark en een vreemde quark, dat wil zeggen een neutrale antikaon. Formeel kan deze transformatie worden omschreven als het resultaat van het toepassen van de CP-transformatie op de kaon!
Dus als CP-symmetrie absoluut strikt wordt nageleefd, transformeren neutrale kaonen K 0 met precies dezelfde waarschijnlijkheid in hun antideeltjes als waarin ze omgekeerde transformaties ondergaan. Elke schending van de CP-symmetrie zal een verandering in een van deze kansen met zich meebrengen. Als we een bundel van een gelijk aantal neutrale kaonen en antikaonen voorbereiden en de dynamiek van de concentratie van beide deeltjes volgen, kunnen we erachter komen of hun kwantumoscillaties de CP-symmetrie respecteren.

Dit is precies wat natuurkundigen van CERN deden. Ze ontdekten dat neutrale antikaons iets sneller kaons worden dan antikaons. Met andere woorden: er is een proces ontdekt waarbij antimaterie sneller in materie verandert dan materie in antimaterie verandert! In een mengsel met aanvankelijk gelijke delen materie en antimaterie ontstaat in de loop van de tijd een kleine maar nog steeds meetbare overmaat aan materie. Hetzelfde effect werd onthuld in experimenten met andere zware neutrale deeltjes - D 0 -mesonen en Bo -mesonen.
Zo hadden onderzoekers tegen het einde van de 20e eeuw op overtuigende wijze bewezen dat zwakke interacties deeltjes en antideeltjes verschillend beïnvloeden. Hoewel deze verschillen zelf erg klein zijn en alleen zichtbaar worden tijdens bepaalde transformaties van zeer exotische deeltjes, zijn ze allemaal volkomen reëel. Dit betekent de aanwezigheid van fysieke asymmetrie tussen materie en antimaterie.
Om het beeld compleet te maken, is het de moeite waard om nog een omstandigheid op te merken. In de jaren vijftig werd de belangrijkste positie van de relativistische kwantummechanica bewezen: de CPT-stelling. Er wordt gesteld dat deeltjes en antideeltjes strikt symmetrisch zijn ten opzichte van de CP-transformatie, gevolgd door tijdomkering (strikt genomen is deze stelling alleen waar zonder rekening te houden met de zwaartekracht, anders blijft de vraag open). Als gevolg hiervan, als CP-symmetrie bij sommige processen niet wordt waargenomen, zou hun snelheid in de “voorwaartse” en “achterwaartse” richtingen (wat als het een en het ander wordt beschouwd, uiteraard een kwestie van overeenstemming) niet hetzelfde moeten zijn. Dit is precies wat experimenten op CERN met neutrale kaonen hebben bewezen.

WAAR ZIJN DE ANTIWERELDEN?

In 1933 was Paul Dirac er zeker van dat er hele eilanden van antimaterie in ons heelal waren, waarover hij in zijn Nobelprijsrede sprak. Moderne wetenschappers geloven echter dat dergelijke eilanden niet in onze Melkweg of daarbuiten bestaan. Natuurlijk bestaat antimaterie als zodanig. Antideeltjes worden gegenereerd door veel hoogenergetische processen, bijvoorbeeld de thermonucleaire verbranding van stellaire brandstof en supernova-explosies. Ze ontstaan in wolken van gemagnetiseerd plasma rond neutronensterren en zwarte gaten, tijdens botsingen van snelle kosmische deeltjes in de interstellaire ruimte, tijdens het bombardement van de atmosfeer van de aarde door kosmische straling, en ten slotte tijdens experimenten met versnellers. Bovendien gaat het verval van sommige radionucliden gepaard met de vorming van antideeltjes, namelijk positronen. Maar dit zijn allemaal slechts antideeltjes en helemaal geen antimaterie. Tot nu toe heeft niemand zelfs maar kosmisch antihelium kunnen detecteren, laat staan zwaardere elementen. Ook de zoektocht naar gammastraling met een specifiek spectrum veroorzaakt door vernietiging aan de grenzen van kosmische clusters van materie en antimaterie was niet succesvol.

WERELD OF ANTI-WERELD?

Laten we ons voorstellen dat we op een interstellair schip vliegen dat een planeet met intelligent leven nadert. Hoe kunnen we ontdekken waar onze broeders in gedachten van gemaakt zijn: materie of antimaterie? We kunnen een verkenningssonde sturen, maar als deze in de atmosfeer ontploft, kunnen we als ruimte-agressoren worden beschouwd, zoals in de sciencefictionroman Antiworld van Krzysztof Borun. Dit kan worden vermeden door dezelfde neutrale kaons en antikaons te gebruiken. Zoals reeds vermeld, kunnen ze niet alleen in elkaar transformeren, maar ook uiteenvallen, en op verschillende manieren. Bij dergelijk verval kunnen neutrino's worden geproduceerd, vergezeld van positieve pionen en elektronen of negatieve pionen en positronen.
Vanwege de asymmetrie tussen materie en antimaterie zijn de snelheden van dergelijke reacties enigszins verschillend. Deze omstandigheid kan worden gebruikt als een “lakmoesproef”. Om een planeet op antimaterialiteit te testen, is het handig om niet pure kaonen en antikaonen te nemen, maar hun gemengde toestanden; ze worden aangeduid als KS en KL (S - kort en L - lang). Feit is dat in toestand L de levensduur van een deeltje 570 keer langer is dan in toestand S (5,12 x 10 -8 s versus 8,95 x 10 -11 s). In de langlevende versie van kaonen is de symmetrie van materie en antimaterie veel sterker: voor elke 10.000 verval van het gewenste type produceren ongeveer 5015 positronen en 4985 elektronen. Trouwens, het historische experiment van Cronin en Finch werd ook gedaan op K-mesonen. Laten we nu het gesprek beginnen. Kaonen hebben een karakteristieke massa die iets groter is dan de helft van de massa van een proton. Laten we aan onze broeders in gedachten uitleggen dat we een onstabiel neutraal deeltje nodig hebben waarvan de massa iets groter is dan de massa van de kern van het eenvoudigste atoom.
Buitenaardse natuurkundigen zullen K-mesonen produceren en de kenmerken van hun verval bepalen. We vragen ons af of het teken van de elektrische lading van de lichtste geladen deeltjes, die bij dit verval iets vaker worden gegenereerd dan een soortgelijk deeltje met het tegenovergestelde teken, samenvalt met het teken van de deeltjes die zich in de atomen van hun wereld bevinden. Als het antwoord positief is, zal het ons duidelijk worden dat hun atomen positronen bevatten en dat de alien daarom uit antimaterie bestaat. En als het antwoord nee is, kun je je voorbereiden om te landen!

WERELD OF ANTI-WERELD?

In de wetenschappelijke literatuur verschijnen periodiek rapporten over de ontdekking van niet-standaard primaire bronnen van kosmische antideeltjes van onbekende oorsprong. In april 2009 werden gegevens gepubliceerd over een mysterieuze overmaat aan extreem snelle positronen, gedetecteerd door het PAMELA-detectorcomplex. Deze apparatuur bevindt zich aan boord van de Russische Resurs-DK-satelliet, die op 15 juni 2006 vanuit het Bajkonoer-kosmodroom in een lage baan om de aarde werd gestuurd. Sommige experts interpreteerden dit resultaat als mogelijk bewijs van de vernietiging van hypothetische donkere materiedeeltjes, maar al snel kwam er een minder exotische verklaring naar voren. Deze hypothese werd becommentarieerd door Veniamin Berezinsky, een bekende kosmische stralingsspecialist van het Gran Sasso National Laboratory, onderdeel van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica: “Het standaardmodel van de geboorte van galactische kosmische straling berust op drie posities de eerste en belangrijkste bron van geladen deeltjes worden beschouwd als supernovaresten. De tweede wordt beschouwd als supernovaresten. Het idee is dat deeltjes worden versneld tot ultrarelativistische snelheden aan de fronten van post-explosieve schokgolven en hun eigen magnetische veld. speelt een zeer grote rol bij deze versnelling. De derde stelling is dat kosmische straling zich voortplant door diffusie en dat de overmaat aan positronen die door het PAMELA-complex wordt gedetecteerd, volkomen consistent is met dit model. Protonen die in schokgolven worden versneld, botsen met deeltjes kosmisch gas Het is in deze zone van hun versnelling dat ze veranderen in positieve pionen, die vervallen onder de vorming van positronen en neutrino's. Volgens de berekeningen van Blasi zou dit proces heel goed precies de concentratie positronen kunnen opleveren die PAMELA heeft geïdentificeerd. Een dergelijk mechanisme voor het genereren van positronen lijkt volkomen natuurlijk, maar om de een of andere reden is het tot nu toe nog nooit bij iemand opgekomen. Blasi toonde ook aan dat dezelfde processen ook overtollige antiprotonen zouden moeten genereren. De doorsnede voor hun productie is echter veel kleiner dan de overeenkomstige waarde voor positronen, en daarom kunnen ze alleen bij hogere energieën worden gedetecteerd. Ik denk dat dit op termijn mogelijk zal worden."
Over het algemeen wijst alles er tot nu toe op dat er geen antisterren, geen antiplaneten of zelfs maar de kleinste antimeteoren in de ruimte zijn. Aan de andere kant beweren conventionele modellen van de oerknal dat ons heelal kort na zijn geboorte evenveel deeltjes als antideeltjes bevatte. Dus waarom overleefde de eerste en verdween de laatste?

De antideeltjeshypothese ontstond voor het eerst in 1928, toen P. Dirac, gebaseerd op de relativistische golfvergelijking, het bestaan voorspelde van een positron (zie § 263), dat vier jaar later door C. Anderson werd ontdekt als onderdeel van kosmische straling.

Het elektron en het positron zijn niet het enige deeltje-antideeltje-paar. Op basis van de relativistische kwantumtheorie kwamen ze tot de conclusie dat er voor elk elementair deeltje een antideeltje moet zijn (het principe van ladingsconjugatie). Experimenten laten zien dat, op enkele uitzonderingen na (bijvoorbeeld het foton en p 0 -meson), inderdaad elk deeltje een antideeltje heeft.

Uit de algemene bepalingen van de kwantumtheorie volgt dat deeltjes en antideeltjes dezelfde massa moeten hebben, dezelfde levensduur in vacuüm, dezelfde grootte maar tegengestelde elektrische ladingen (en magnetische momenten), dezelfde spins en isotopische spins, evenals dezelfde andere kwantumgetallen, toegeschreven aan elementaire deeltjes om de wetten van hun interactie te beschrijven (leptongetal (zie § 275), baryongetal (zie § 275), vreemdheid (zie § 274), charme (zie § 275), enz. ). Tot 1956 werd aangenomen dat er volledige symmetrie bestond tussen deeltjes en antideeltjes, dat wil zeggen: als er een proces plaatsvindt tussen deeltjes, dan moet er precies hetzelfde proces (met dezelfde kenmerken) zijn tussen antideeltjes. In 1956 werd echter bewezen dat een dergelijke symmetrie alleen kenmerkend is voor sterke en elektromagnetische interacties en verbroken wordt voor zwakke interacties.

Volgens de theorie van Dirac zou de botsing van een deeltje en een antideeltje moeten leiden tot hun wederzijdse vernietiging, waardoor andere elementaire deeltjes of fotonen ontstaan. Een voorbeeld hiervan is de beschouwde reactie (263.3) van vernietiging van een elektron-positronpaar (-1 0 e+ + 1 0 e® 2g).

Nadat het theoretisch voorspelde bestaan van het positron experimenteel was bevestigd, rees de vraag naar het bestaan van het antiproton en antineutron. Berekeningen laten zien dat om een deeltje-antideeltje-paar te creëren, het nodig is om energie te verbruiken die groter is dan tweemaal de rustenergie van het paar, aangezien de deeltjes een zeer aanzienlijke kinetische energie moeten krijgen. Om een pp-paar te creëren is een energie van ongeveer 4,4 GeV nodig. Het antiproton werd feitelijk experimenteel ontdekt (1955) tijdens de verstrooiing van protonen (versneld bij het toen grootste synchrofasotron van de Universiteit van Californië) op de nucleonen van doelkernen (het doel was koper), waardoor een p-p-paar ontstond. geproduceerd.

Een antiproton verschilt van een proton in de tekens van zijn elektrische lading en zijn eigen magnetische moment. Een antiproton kan niet alleen met een proton, maar ook met een neutron annihileren:

(273.1) (273.2) (273.3)

Een jaar later (1956) was het met dezelfde versneller mogelijk een antineutron (ñ) te verkrijgen en de vernietiging ervan uit te voeren. Antineutronen ontstonden als resultaat van ladingsuitwisseling van antiprotonen terwijl ze door de materie bewogen. De ladingsuitwisselingsreactie bestaat uit een uitwisseling van ladingen tussen een nucleon en een antinucleon en kan volgens de volgende schema's verlopen:

(273.4) (273.5)

Een antineutron verschilt van een neutron door het teken van zijn eigen magnetische moment. Als antiprotonen stabiele deeltjes zijn, zal een vrij antineutron, als het geen vernietiging ondergaat, uiteindelijk verval ondergaan volgens het schema

Er werden ook antideeltjes gevonden voor het p+meson, kaonen en hyperonen (zie § 274). Er zijn echter deeltjes die geen antideeltjes hebben; dit zijn de zogenaamde werkelijk neutrale deeltjes. Deze omvatten het foton, p°-meson en η-meson (de massa is 1074m e, levensduur 7×10 -19 s; vervalt met de vorming van p-mesonen en γ-quanta). Werkelijk neutrale deeltjes zijn niet in staat tot vernietiging, maar ondergaan wederzijdse transformaties, wat een fundamentele eigenschap is van alle elementaire deeltjes. We kunnen zeggen dat elk van de werkelijk neutrale deeltjes identiek is aan zijn antideeltje.

Van groot belang en ernstige moeilijkheden was het bewijs van het bestaan van antineutrino's en het antwoord op de vraag of neutrino's en antineutrino's identieke of verschillende deeltjes zijn. Met behulp van krachtige antineutrinofluxen geproduceerd in reactoren (splijtingsfragmenten van zware kernen ondergaan β-verval en zenden, volgens (258.1) antineutrino's uit), hebben de Amerikaanse natuurkundigen F. Reines en K. Cowan (1956) op betrouwbare wijze de reactie van het vangen van een elektron vastgelegd antineutrino door een proton:

De reactie van het vangen van een elektronenneutrino door een neutron werd op dezelfde manier geregistreerd:

De reacties (273.6) en (273.7) waren dus enerzijds het onbetwistbare bewijs dat v e en ṽ e, - echte deeltjes, en geen fictieve concepten die alleen zijn geïntroduceerd om β-verval te verklaren, en aan de andere kant de conclusie bevestigden dat v e en ṽ e- verschillende deeltjes.

Experimenten met de productie en absorptie van muon-neutrino's hebben dat vervolgens aangetoond v m en ṽ m zijn verschillende deeltjes. Het is ook bewezen dat het paar v e, v m zijn verschillende deeltjes, en het paar v e,ṽ e niet identiek aan het paar v m, ṽ m Volgens het idee van B.M Pontecorvo (zie § 271) werd de reactie van het vangen van een muon-neutrino (verkregen tijdens het verval van p + ®m + + v m (271.1)) door neutronen uitgevoerd en de resulterende deeltjes werden waargenomen. Het bleek dat reactie (273.7) niet plaatsvindt en dat de vangst volgens het schema plaatsvindt

d.w.z. in plaats van elektronen werden bij de reactie m-muonen geboren. Dit bevestigde het verschil tussen v e en vm

Volgens moderne concepten verschillen neutrino's en antineutrino's van elkaar in een van de kwantumkarakteristieken van de toestand van een elementair deeltje: spnraliteit, gedefinieerd als de projectie van de spin van het deeltje op de richting van zijn beweging (per momentum). Om de experimentele gegevens te verklaren, wordt aangenomen dat de neutrino-spin s antiparallel is georiënteerd aan het momentum p, dat wil zeggen dat de richtingen p en s een linkshandige schroef vormen en dat het neutrino een linkshandige heliciteit heeft (Fig. 349, a). . Voor een antineutrino vormen de p- en s-richtingen een rechtshandige schroef, d.w.z. de antineutrino heeft een rechtshandige ruggengraat (Fig. 349, B). Deze eigenschap geldt in gelijke mate voor zowel elektronen- als muon-neutrino's (anti-neutrino's).

Om heliciteit te kunnen gebruiken als een kenmerk van een neutrino (anti-neutrino), moet de neutrinomassa gelijk worden gesteld aan nul. De introductie van heliciteit maakte het bijvoorbeeld mogelijk om de overtreding van de wet van behoud van pariteit (zie § 274) te verklaren tijdens zwakke interacties die het verval van elementaire deeltjes en β-verval veroorzaakten. Zo wordt aan de m - -muon een rechtshandige heliciteit toegekend, en aan de m + -muon - een linkshandige heliciteit.

Na de ontdekking van zo'n groot aantal antideeltjes ontstond er een nieuwe taak: het vinden van antikernen, met andere woorden, het bewijzen van het bestaan van antimaterie, die is opgebouwd uit antideeltjes, net zoals materie uit deeltjes wordt gemaakt. Er werden inderdaad antikernen ontdekt. De eerste antinucleus - antideuteron (een gebonden toestand p̃ en ñ - werd in 1965 verkregen door een groep Amerikaanse natuurkundigen onder leiding van L. Lederman. Vervolgens werden antihelium (1970) en antitritium (1973) kernen gesynthetiseerd bij de Serpoechov-versneller.

Er moet echter worden opgemerkt dat de mogelijkheid van vernietiging bij het ontmoeten van deeltjes het niet mogelijk maakt dat antideeltjes gedurende lange tijd tussen deeltjes blijven bestaan. Daarom moet antimaterie voor een stabiele toestand van materie worden geïsoleerd. Als er zich een opeenhoping van antimaterie zou voordoen in de buurt van het deel van het heelal dat we kennen, dan zouden krachtige vernietigingsstraling (explosies waarbij enorme hoeveelheden energie vrijkomen) moeten worden waargenomen. Tot nu toe hebben astrofysici echter nog nooit zoiets geregistreerd. Onderzoek naar antikernen (uiteindelijk antimaterie) en de eerste successen die in deze richting zijn geboekt, zijn van fundamenteel belang voor verdere kennis van de structuur van materie.

GOSKOMVUZ RF

Afdeling Algemene Natuurkunde

Onderwerp: “Antideeltjes”

FACULTEIT: AVTF

GROEP: A-513

STUDENT: Efimenko D.V.

LERAAR: Usoltseva N.Ya.

Novosibirsk

Antimaterie is materie opgebouwd uit antideeltjes. Het bestaan van antideeltjes werd voor het eerst voorspeld in 1930 door de Engelse natuurkundige P. Dirac. Uit de Dirac-vergelijking voor een relativistisch elektron volgde een tweede oplossing voor zijn tweelingbroer, die dezelfde massa en positieve elektrische lading heeft. Tegelijkertijd was er slechts één positief geladen deeltje bekend: het proton, dat qua eigenschappen sterk verschilde van het elektron. Theoretici begonnen met ingenieuze verklaringen voor deze verschillen te komen, maar het werd al snel duidelijk dat het proton niets gemeen had met het door Dirac voorspelde deeltje. In 1932 werden positief geladen positronen ontdekt in kosmische straling door de Amerikaanse natuurkundige K. Anderson. Deze ontdekking was een briljante bevestiging van Diracs theorie.

In 1955 ontdekten E. Segre, O. Chamberlain en anderen bij de nieuwe Berkeley-versneller antiprotonen die werden geproduceerd bij de botsing van protonen met de kernen van een koperen doelwit. Voordien werd er lange tijd zonder succes naar een proton met een negatieve lading gezocht in kosmische straling. Het antineutron werd ook ontdekt in 1956. Er zijn inmiddels veel deeltjes bekend, en bijna allemaal hebben ze antideeltjes.

Deeltjes en antideeltjes hebben dezelfde massa, levensduur, spin, maar verschillen in de tekens van alle ladingen: elektrisch, baryon, lepton, enz. Dit volgt uit de algemene principes van de kwantumveldentheorie en wordt bevestigd door betrouwbare experimentele gegevens.

), antineutron - ( ). Mesonen bestaan uit een quark en een antiquark en hebben doorgaans ook antideeltjes, bijvoorbeeld: het p - - meson bestaat uit quarks ( ), en het p + meson bestaat uit quarks ( ). Tegelijkertijd zijn er mesonen die symmetrisch zijn met betrekking tot de vervanging van quarks door antiquarks (bijvoorbeeld p 0 ,r,h-mesonen, die paren quarks omvatten, en); ook de mesonen zullen werkelijk neutraal zijn.

Een karakteristiek kenmerk van het gedrag van deeltjes en antideeltjes is hun vernietiging bij botsing. Dirac voorspelde ook het proces van vernietiging van elektronen en positronen in fotonen: e - + e + ®g + g. Annihilatieprocessen vinden uiteraard plaats met behoud van energie, momentum, elektrische lading, enz. In dit geval kunnen niet alleen fotonen, maar ook andere deeltjes worden geboren; Het is duidelijk dat, als gevolg van de wetten van behoud van verschillende ladingen, overeenkomstige antideeltjes tegelijkertijd worden geboren, zoals bijvoorbeeld bij de vernietigingsreactie van een elektron en een positron in een paar muonen: e - + e + ®m - + m + . Bij dergelijke reacties werden ‘gecharmeerde’ en ‘mooie’ deeltjes ontdekt. In een soortgelijk proces werd e - + e + ®t - + t + het zware t - lepton ontdekt. De afgelopen jaren is het vernietigingsproces steeds meer gebruikt als een van de meest geavanceerde methoden voor het bestuderen van de microwereld.

De handeling waarbij deeltjes worden vervangen door antideeltjes wordt ladingsconjugatie genoemd. Omdat werkelijk neutrale deeltjes identiek zijn aan hun antideeltjes, veranderen ze tijdens de ladingsconjugatie in zichzelf.

Bij sterke en elektromagnetische interacties is er volledige symmetrie tussen deeltjes en antideeltjes: als een proces met deeltjes mogelijk is, dan is een soortgelijk proces met de overeenkomstige antideeltjes mogelijk en heeft het dezelfde kenmerken. Net zoals protonen en neutronen zich door de sterke interactie tot kernen binden, zullen antikernen worden gevormd uit de overeenkomstige antideeltjes.

In 1965 werd een antideuteron verkregen via een versneller in de VS. In 1969 ontdekten Sovjet-natuurkundigen in Protvino, bij de versneller van het Instituut voor Hoge Energiefysica, antihelium-3-kernen, bestaande uit twee antiprotonen en een antineutron. Vervolgens werden de kernen van antitritium, een zwaar antiwaterstof, ontdekt, bestaande uit één antiproton en twee antineutronen. In principe zijn antiatomen en zelfs grote opeenhopingen van antimaterie denkbaar. Bewijs voor de aanwezigheid van antimaterie in het heelal was krachtige vernietigingsstraling afkomstig uit contactgebieden tussen materie en antimaterie.

De vernietiging van slechts 1 gram materie en antimaterie leidt immers tot het vrijkomen van 10 14 J aan energie, wat overeenkomt met de explosie van een gemiddelde atoombom van 10 kiloton. De astrofysica beschikt echter nog niet over dergelijke gegevens, en zelfs in kosmische straling zijn antiprotonen vrij zeldzaam. Er bestaat nu vrijwel geen twijfel over dat het heelal voornamelijk uit gewone materie bestaat.

Maar dat was niet altijd zo. In het vroege stadium van de ontwikkeling van het heelal, bij zeer hoge temperaturen van ongeveer 10-13 K, vielen het aantal deeltjes en antideeltjes bijna samen: voor een groot aantal antiprotonen (ongeveer elke paar miljard) waren er hetzelfde aantal protonen en nog een “extra” proton. Vervolgens, toen het heelal afkoelde, vernietigden alle deeltjes en antideeltjes, waardoor uiteindelijk fotonen ontstonden, en uit de onbeduidende overmaat aan deeltjes in het verleden ontstond alles wat ons nu omringt. Annihilatiefotonen, die geleidelijk afkoelen, hebben tot op de dag van vandaag overleefd in de vorm van kosmische achtergrondstraling. De verhouding tussen de moderne protondichtheid en de dichtheid van relictfotonen (10 -9) gaf informatie over de omvang van de overmaat aan deeltjes ten opzichte van antideeltjes in het verleden. Als deze overmaat niet zou bestaan, zou er een volledige wederzijdse vernietiging van deeltjes en antideeltjes plaatsvinden, en als gevolg daarvan zou een tamelijk saai heelal ontstaan, gevuld met koud fotongas.

Waar komt dit overschot vandaan? Een van de hypothesen suggereert dat in de begintoestand het aantal deeltjes en antideeltjes samenviel, maar dat er toen, als gevolg van de eigenaardigheden in de dynamiek van hun interactie, een asymmetrie ontstond.

Annihilatie is het enige proces waarbij beide initiële deeltjes verdwijnen en hun gehele massa volledig wordt omgezet, bijvoorbeeld in de energie van fotonen. Geen enkele andere reactie die in energie wordt gebruikt, heeft deze eigenschap. Zowel tijdens de splijting van uranium als bij thermonucleaire fusieprocessen wordt slechts een klein deel (in de orde van tienden van een procent) van de restmassa van de deeltjes die aan de reactie deelnemen, omgezet in energie. Daarom produceert de vernietiging van antimaterie met materie duizend keer meer energie dan de splitsing van dezelfde hoeveelheid uranium. Als we een kleine antimaterieplaneet tot onze beschikking hadden, zouden alle problemen met de energiecrisis onmiddellijk verdwijnen. Stel dat we hebben geleerd alle vernietigingsenergie om te zetten in elektrische energie. Om de planeet vervolgens van elektriciteit voor een jaar te voorzien, hoeft slechts een stuk antimaterie van 1000 kilogram van de planeet te worden afgesplitst en aan vernietiging te worden onderworpen. Vergelijk die 1.000 kilogram eens met de honderden miljoenen tonnen steenkool en olie die we ieder jaar produceren om hetzelfde probleem op te lossen!

Hoeveel energie komt er vrij per 1 gram brandstof

1. Vernietiging van materie en antimaterie 10 14 joule

2. Splijting van uranium 10 11 joule

3. Kolenverbranding 2.9- 10 4 joule

Antimaterie zou een ideale brandstof zijn, ook omdat het het milieu niet vervuilt. Na vernietiging blijven uiteindelijk alleen hoogenergetische fotonen en neutrino’s over.

Onze aarde wordt regelmatig gebombardeerd door een stroom kosmische straling: hoogenergetische deeltjes die worden gegenereerd tijdens verschillende processen die plaatsvinden in onze Melkweg. De meeste van deze deeltjes zijn protonen en heliumkernen.

Maar onlangs, in 1979, werden ook antiprotonen aangetroffen in kosmische straling. Twee groepen rapporteerden dit tegelijk: Sovjet-natuurkundigen van het Leningrad Institute of Physics and Technology genoemd naar A.I. Ioffe en Amerikaanse wetenschappers van het L. Johnson Space Flight Center. Het positron werd in 1932 ontdekt in kosmische straling. Zo’n lange tijdsperiode tussen de ontdekking van een positron en een antiproton in kosmische straling wordt verklaard door het feit dat het antiproton veel sterker interageert met materie dan het positron. antiprotonen uit de ruimte hebben geen tijd om het aardoppervlak te bereiken; ze vernietigen al in de bovenste lagen van de atmosfeer. Daarom is de zoektocht naar antiprotonen in kosmische straling een complexe technische taak. Het is noodzakelijk om de detector zo hoog mogelijk te plaatsen, tot aan de grens van de atmosfeer. Alle experimenten om te zoeken naar antideeltjes in kosmische straling werden uitgevoerd op ballonnen. In de experimenten van R. Golden tilde een ballon bijvoorbeeld ongeveer 2 ton apparatuur op tot een hoogte van 36 kilometer.

Vanuit modern oogpunt zijn elementaire deeltjes verdeeld in twee groepen. De eerste daarvan zijn deeltjes met spin van een half geheel getal: geladen leptonen e - , m - , t - , hun overeenkomstige neutrino's en quarks u, d, c, b, t. Al deze deeltjes hebben ook antideeltjes. De andere groep bestaat uit veldkwanta met gehele spin, die interacties met zich meebrengen: fotonen, tussenliggende bosonen met zwakke interacties, gluonen met sterke interacties. Sommigen van hen zijn werkelijk neutraal (g, Z 0), dat wil zeggen dat al hun kwantumgetallen nul zijn en identiek zijn aan hun antideeltjes; andere (W +, W -) vormen ook deeltjes-antideeltje-paren. Het is nu gemakkelijk in te zien dat alle baryonen die uit drie quarks bestaan, antideeltjes moeten hebben, bijvoorbeeld: een neutron heeft de samenstelling (), een antineutron - (). Mesonen bestaan uit een quark en een antiquark en hebben doorgaans ook antideeltjes, bijvoorbeeld: het p - - meson bestaat uit quarks (), en het p + meson bestaat uit quarks (). Tegelijkertijd zijn er mesonen die symmetrisch zijn met betrekking tot de vervanging van quarks door antiquarks (bijvoorbeeld p 0, r, h - mesonen, die paren quarks omvatten, en); ook de mesonen zullen werkelijk neutraal zijn.

Een karakteristiek kenmerk van het gedrag van deeltjes en antideeltjes is hun vernietiging bij botsing. Dirac voorspelde ook het proces van vernietiging van elektronen en positronen in fotonen: e - + e + ® g + g. Annihilatieprocessen vinden uiteraard plaats met behoud van energie, momentum, elektrische lading, enz. In dit geval kunnen niet alleen fotonen, maar ook andere deeltjes worden geboren; Het is duidelijk dat, als gevolg van de wetten van behoud van verschillende ladingen, overeenkomstige antideeltjes tegelijkertijd worden geboren, zoals bijvoorbeeld bij de vernietigingsreactie van een elektron en een positron in een paar muonen: e - + e + ® m - + m + . Bij dergelijke reacties werden ‘gecharmeerde’ en ‘mooie’ deeltjes ontdekt. In een soortgelijk proces werd e - + e + ® t - + t + het zware t - lepton ontdekt. De afgelopen jaren is het vernietigingsproces steeds meer gebruikt als een van de meest geavanceerde methoden voor het bestuderen van de microwereld.

Hoeveel energie komt er vrij per 1 gram brandstof

1. Vernietiging van materie en antimaterie 10 14 joule

2. Splijting van uranium 10 11 joule

3. Kolenverbranding 2,9 10 4 joule

Antimaterie zou een ideale brandstof zijn, ook omdat het het milieu niet vervuilt. Na vernietiging blijven uiteindelijk alleen hoogenergetische fotonen en neutrino’s over.

Maar kunnen we bedenken dat deze antiprotonen vanuit de Antiwereld naar ons toe kwamen? Over het algemeen kun je dat niet. Kosmische straling bevat protonen met voldoende hoge energie, en wanneer ze in botsing komen met deeltjes, bijvoorbeeld van interstellair gas, kunnen ze antiprotonen produceren in dezelfde reactie die plaatsvindt in versnellers:

Het feit zelf van de detectie van antiprotonen in kosmische straling kan dus worden verklaard zonder een beroep te doen op de antiwereldhypothese:

De gewone kernen van veel elementen van het periodiek systeem, tot aan Uranus toe, werden waargenomen in kosmische straling. Er is echter nog geen enkele antinucleus ontdekt in kosmische straling. Het is waar dat de limieten die zijn verkregen bij experimenten om naar antikernen te zoeken nog niet zo laag zijn dat we met vertrouwen de mogelijkheid van hun bestaan kunnen uitsluiten. Antiworld-aanhangers zijn van mening dat de flux van antiheliumkernen tien keer minder zou moeten zijn dan de waarde die tot nu toe is gemeten. De voorspelde waarde is niet te klein en is in principe in de nabije toekomst haalbaar.

Het moet gezegd worden dat als het mogelijk zou zijn om ten minste één antiheliumkern te detecteren, en nog beter - antikoolstof, dit een uiterst serieuze bevestiging zou worden van de hypothese over het bestaan van de antiwereld. Feit is dat de kans op het creëren van antihelium als gevolg van de botsing van protonen van kosmische straling met interstellaire gasmaterie verwaarloosbaar is, minder dan 10 -11. Tegelijkertijd, als er antisterren bestaan, zou antiwaterstof daarin moeten worden omgezet in antihelium en vervolgens in antikoolstof.

Hoe het ook zij, antikernen zijn nog niet geregistreerd, hoewel hun aanwezigheid in kosmische straling niet met groot vertrouwen kan worden ontkend.

We hebben geen betrouwbaar bewijs dat deeltjes van de Antiwereld naar ons op aarde komen. Tot nu toe hebben we geen enkele antinucleus waargenomen; De resultaten van het meten van de flux van antiprotonen kunnen niet worden beschouwd als bewijs van het bestaan van de Antiwereld - dit vereist te veel aannames die uitleg en verificatie behoeven. Tegelijkertijd zijn onze experimentele resultaten niet zo compleet en nauwkeurig dat de mogelijkheid van het bestaan van de Antiwereld volledig kan worden uitgesloten.

Gegevens uit kosmische straling kunnen echter enkele beperkingen opleggen aan de vermenging van antimaterie in onze Melkweg. Er wordt aangenomen dat bijna alle kosmische straling wordt gegenereerd in processen die ‘binnen’ onze Melkweg plaatsvinden. Daarom mag de fractie antimaterie die mogelijk in de Melkweg bestaat niet groter zijn dan de fractie antiprotonen en antikernen in kosmische straling. Het is bekend dat in kosmische straling de verhouding tussen het aantal antiprotonen en het aantal protonen ongeveer gelijk is aan 10 -4, en dat de verhouding tussen het aantal antiheliumkernen en het aantal protonen minstens kleiner is dan 10 -5.

Daarom wordt de conclusie getrokken: de bijmenging van antimaterie in de Melkweg is minder dan 10 -4 - 10 -5. Dit betekent dat experimentele gegevens over kosmische straling niet in tegenspraak zijn met de aanwezigheid, grofweg, van één antister op elke 10 tot 100 duizend gewone sterren. Wij benadrukken dat een dergelijke beoordeling geenszins een bewijs is voor het bestaan van antisterren. Het is volkomen onduidelijk hoe dergelijke antisterren in onze Melkweg kunnen ontstaan.

Het licht van een antister kan niet worden onderscheiden van het zichtbare licht van gewone sterren. De processen van thermonucleaire fusie, die zorgen voor het ‘verbranden’ van sterren, verlopen echter anders voor sterren en antisterren. Als in het eerste geval thermonucleaire fusiereacties gepaard gaan met de emissie van neutrino's, bijvoorbeeld in de volgende processen:

Vervolgens leiden soortgelijke reacties in antisterren tot de emissie van antineutrino's:

Vanuit experimenteel oogpunt is het winstgevender om te zoeken naar enorme stromen antineutrino's, die kunnen ontstaan in de laatste fase van de evolutie van antisterren. Het is een feit dat wanneer een ster al zijn reserves aan thermonucleaire brandstof heeft uitgeput, hij onder invloed van zijn zwaartekracht snel catastrofaal begint in te storten. Als de massa van de ster één tot drie keer de massa van de zon is, gaat deze compressie door totdat de elektronen in de atoomkernen worden ‘gedrukt’ waaruit de ster bestaat. In dit geval worden de protonen van de kernen omgezet in neutronen en worden neutrino's uitgezonden:

Wanneer de ster bijna volledig uit neutronen bestaat, stopt de compressie, omdat de zwaartekrachtaantrekkingen in evenwicht worden gebracht door de krachtige afstotende krachten die tussen de neutronen optreden. Er vindt de vorming van een zogenaamde neutronenster plaats: een stabiel object met een uitzonderlijk hoge dichtheid en kleine afmetingen. De straal van een neutronenster met de massa van de zon is ongeveer 10 kilometer (de straal van de zon is ongeveer 700.000 kilometer).

Het is duidelijk dat tijdens de ineenstorting van een antister antineutronen moeten worden gevormd, en dat het proces van de vorming van een antineutronenster gepaard zal gaan met de emissie van antineutrino's:

De flux van dergelijke antineutrino's moet uitzonderlijk groot zijn, omdat tijdens de ineenstorting vrijwel elk van het enorme aantal protonen van de ster, dat in een neutron verandert, één neutrino produceert: het aantal antineutrino's » het aantal antiprotonen in de antister @ 10 57.

Reeds bestaande neutrinotelescopen kunnen het optreden van zo’n kolossale neutrino-uitbarsting detecteren als deze in onze Melkweg plaatsvindt.

Gebruikte boeken:

1. Fysieke encyclopedie vol. 1 M.: 1990.

2. M. Saplzhnikov “Antiwereldrealiteit?” M.: 1983

In overeenstemming met de Dirac-vergelijking heeft de ontmoeting van een elektron met een positron fatale gevolgen voor hen: beide deeltjes verdwijnen. Zo'n verbazingwekkende voorspelling en de experimentele bevestiging ervan maakten een sterke indruk op zowel natuurkundigen als niet-natuurkundigen - dit was tenslotte het eerste voorbeeld van de volledige transformatie van materie in straling. Het nieuw ontdekte effect werd vernietiging genoemd, wat in het Latijn volledige vernietiging betekent.

In feite is de bewering dat de interactie van deeltjes en antideeltjes steevast de creatie van fotonen met zich meebrengt, zelfs niet waar als het gaat om elektronen en positronen. Een vrij elektron-positronpaar annihileert en vormt alleen elektromagnetische kwanta als de energie ervan niet te hoog is. Zeer snelle elektronen en positronen zijn in staat positieve en negatieve pi-mesonen (ook wel pionen genoemd), plus- en min-muonen, protonen en antiprotonen, en zelfs zwaardere deeltjes te genereren - net genoeg energie. Langzame protonen en antiprotonen geven, wanneer ze worden vernietigd, aanleiding tot geladen en neutrale pionen (en snelle tot andere deeltjes), die vervallen in gammastraling, muonen en neutrino's. In principe kan een botsing tussen een deeltje en zijn antikopie resulteren in elke combinatie van deeltjes die niet verboden is door de principes van symmetrie en behoudswetten.

Hoe zit het met antigrav?

Laten we eerst eens kijken naar Einsteins algemene relativiteitstheorie. Het is gebaseerd op het principe van strikte gelijkheid van zwaartekracht- en traagheidsmassa's, en voor gewone materie is deze bewering experimenteel bevestigd door vele nauwkeurige metingen. Omdat de traagheidsmassa van een deeltje exact gelijk is aan de massa van zijn antideeltje, lijkt het zeer waarschijnlijk dat hun zwaartekrachtmassa ook gelijk is. Dit is echter nog steeds een aanname, zij het zeer plausibel, en kan niet worden bewezen door middel van de algemene relativiteitstheorie.

Een ander argument tegen de zwaartekrachtafstoting tussen materie en antimaterie komt voort uit de kwantummechanica. Laten we niet vergeten dat hadronen (deeltjes die deelnemen aan sterke interacties) zijn samengesteld uit quarks die aan elkaar zijn gelijmd door gluonbindingen. Elke baryon bestaat uit drie quarks, terwijl mesonen bestaan uit gepaarde combinaties van quarks en antiquarks, en niet altijd dezelfde (een meson, dat een quark en zijn eigen antiquark omvat, is een werkelijk neutraal deeltje in de zin dat het volledig identiek is aan zijn antitimeson). Deze quarkstructuren kunnen echter niet als absoluut stabiel worden beschouwd. Een proton bestaat bijvoorbeeld uit twee u-quarks, die elk een elementaire elektrische lading van +2/3 dragen, en één d-quark met een lading van –1/3 (het proton heeft dus een lading van +2/3). 1). Deze quarks kunnen echter, als gevolg van de interactie met gluonen, gedurende een zeer korte tijd van aard veranderen - in het bijzonder in antiquarks veranderen. Als deeltjes en antideeltjes door de zwaartekracht worden afgestoten, zou het gewicht van het proton (en natuurlijk het neutron) zwakke trillingen moeten veroorzaken. Tot nu toe heeft echter geen enkel laboratorium een dergelijk effect ontdekt.

Antimaterie en de Melkweg

In de jaren zeventig ontdekten astronomen met behulp van gammastraaltelescopen gemonteerd op ballonnen op grote hoogte gammastraling met een energie van 511 keV afkomstig uit het centrum van onze Melkweg: de Melkweg. Het is deze energie die kenmerkend is voor de vernietiging van vrije elektronen en positronen, wat de aanwezigheid suggereerde van een antimateriewolk van ongeveer 10.000 lichtjaar groot.

Dus wat is het verschil?

En toen veranderde plotseling alles dramatisch. In 1956 publiceerden de Amerikaanse natuurkundigen Li Tsung-dao en Yang Jen-ning een Nobelprijswinnend artikel waarin ze de moeilijkheden bespraken die gepaard gaan met twee schijnbaar identieke deeltjes, het theta-meson en het tau-meson, die in een verschillend aantal pionen vervallen. De auteurs benadrukten dat dit probleem kan worden opgelost als we aannemen dat dergelijk verval verband houdt met processen waarvan de aard verandert tijdens de overgang van rechts naar links, met andere woorden, met spiegelreflectie (iets later beseften natuurkundigen dat in het algemeen We moeten het hebben over reflecties in elk van de drie coördinaatvlakken - of, wat hetzelfde is, over het veranderen van de tekens van alle ruimtelijke coördinaten, ruimtelijke inversie). Dit betekent dat het gespiegelde proces verboden kan zijn of met een andere waarschijnlijkheid kan plaatsvinden dan vóór de reflectie. Een jaar later bevestigden Amerikaanse onderzoekers (die tot twee onafhankelijke groepen behoorden en met verschillende methoden werkten) dat dergelijke processen echt bestaan.

Dit was nog maar het begin. Tegelijkertijd realiseerden theoretische natuurkundigen uit de USSR en de VS zich dat de schending van de spiegelsymmetrie het mogelijk maakt om de symmetrie met betrekking tot de vervanging van deeltjes door antideeltjes te schenden, wat ook herhaaldelijk in experimenten is bewezen. Het is vermeldenswaard dat kort vóór Lee en Yang, maar nog steeds in hetzelfde 1956, de mogelijkheid om de spiegelsymmetrie te doorbreken werd besproken door experimenteel natuurkundige Martin Block en de grote theoreticus Richard Feynman, maar dat zij deze overwegingen nooit publiceerden.

Een vreemde schending van de spiegelsymmetrie gaf aanleiding tot pogingen om dit met iets te compenseren. Al in 1956 suggereerden Lee en Yang en onafhankelijk Lev Landau dat de natuur geen onderscheid maakt tussen systemen die van elkaar worden verkregen door gezamenlijke toepassing van de C- en P-transformaties (de zogenaamde CP-symmetrie). Vanuit theoretisch oogpunt zag deze hypothese er zeer overtuigend uit en sloot bovendien goed aan bij experimentele gegevens. Slechts acht jaar later ontdekten onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory echter dat een van de ongeladen K-mesonen (of kaonen, zoals ze ook worden genoemd) kan vervallen tot een pionpaar. Als CP-symmetrie strikt wordt nageleefd, is een dergelijke transformatie onmogelijk - en daarom is deze symmetrie niet universeel! Het is waar dat het aandeel van ogenschijnlijk verboden verval niet groter was dan 0,2%, maar ze vonden nog steeds plaats! Deze ontdekking leverde de leiders van het Brookhaven-team, James Cronin en Val Fitch, de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

Moderne natuurkunde en door het kijkglas

De spiegelmateriehypothese werd voor het eerst duidelijk geformuleerd in een artikel van Igor Kobzarev, Lev Okun en Isaac Pomeranchuk, gepubliceerd in 1966.

Met de lichte hand van Lewis Carroll is Through the Looking Glass een magisch land dat zich aan de andere kant van de spiegel bevindt en alleen in de menselijke verbeelding bestaat. Moderne natuurkundigen spreken echter vrij serieus over het bestaan van een spiegelwereld of, preciezer gezegd, spiegelmaterie. En als ze wordt gevonden, zal het oude sprookje in zekere zin werkelijkheid worden.

In 1966 was bekend dat CP-symmetrie niet wordt waargenomen tijdens het verval van kaonen. De auteurs lieten zien dat deze symmetrie in zekere zin behouden kan blijven (of beter gezegd gegeneraliseerd kan worden) als we aannemen dat er voor elk deeltje een corresponderend spiegeldeeltje is met dezelfde fysieke kenmerken. Om dit te doen, postuleerden ze symmetrie met betrekking tot de CPA-transformatie, waarbij operatie A het deeltje vervangt door zijn spiegelpartner (de letter A herinnert aan Carrolls Alice). Een andere mogelijkheid, opgemerkt door Kobzarev, Okun en Pomeranchuk, is dat neutrino's gemeenschappelijk kunnen zijn voor onze materie en spiegelmaterie. Lev Okun publiceerde later een tiental artikelen waarin hij verschillende mogelijke verbanden tussen gewone materie en spiegelmaterie onderzocht en experimenten voorstelde waarmee deze konden worden gedetecteerd.

Hypothetische spiegeldeeltjes bestaan niet ergens in een parallel heelal, maar in onze ruimte. Ze zijn met elkaar verbonden door hun eigen interacties, die zich niet uitstrekken tot de deeltjes van onze materie, net zoals onze interacties niet worden waargenomen door de deeltjes van het kijkglas. Hieruit volgt dat er in principe spiegelstelsels, sterren en planeten (inclusief bewoonde sterren) kunnen zijn die door geen enkele telescoop kunnen worden gezien. Spiegelmaterie kan maar op één manier worden geregistreerd: door zwaartekrachtvelden, omdat deze meestal wordt aangetrokken door de materie van onze wereld.

In de jaren zeventig waren de inspanningen van theoretische natuurkundigen vooral gericht op de ontwikkeling van het standaardmodel van elementaire deeltjes, en de hypothese van spiegeldeeltjes raakte op de een of andere manier in de schaduw. Vervolgens werd de belangstelling ervoor nieuw leven ingeblazen, en Rabindra Mohapatra, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Maryland, vertelde Popular Mechanics over de huidige stand van zaken: “Natuurkundigen keerden om twee redenen terug naar spiegeldeeltjes. In het afgelopen decennium is de positie van de donkere materie-hypothese sterker geworden en zijn er discussies begonnen over de mogelijkheid van het bestaan van zogenaamde steriele neutrino's. Dergelijke neutrino's gehoorzamen aan de wet van de zwaartekracht, maar nemen niet deel aan de sterke, elektromagnetische of zwakke interacties. In deze context suggereerden de Australische theoretici Foote en Volkas, en onafhankelijk van hen, ikzelf en de Georgische natuurkundige Zurab Berezhiani (hij werkt nu in Italië) in 1995 dat spiegeldeeltjes echt bestaan en zich manifesteren in steriele neutrino's en donkere materie. Veel van onze collega's waren het erover eens dat dit idee de moeite waard was om te bespreken. Er rijst een natuurlijke vraag: hoe kunnen spiegeldeeltjes of hun clusters worden gedetecteerd? Als er bijvoorbeeld sterren zijn gemaakt van spiegelmaterie, zullen ze hun aanwezigheid alleen onthullen door de zwaartekracht. Het kan worden gedetecteerd via het zwaartekrachtlenseffect, maar tot nu toe is niemand daarin geslaagd. Er is echter nog een andere mogelijkheid, die mijn co-auteurs en ik bespreken in een onlangs gepubliceerd artikel. Er is reden om te denken dat onze fotonen zich heel licht kunnen vermengen met de fotonen van de spiegelsector. Deze omstandigheid opent in principe de weg naar het vastleggen van spiegeldeeltjes.”

Volgens één theorie zijn alle spiegeldeeltjes, met uitzondering van de lichtste, kort na de geboorte van ons heelal vergaan. Overlevenden kunnen kosmische clusters vormen die zich manifesteren als halo's van donkere materie. Volgens dit scenario bestaan er echter geen spiegelsterren en spiegelplaneten - er is simpelweg niet genoeg bouwmateriaal voor.

Symmetrie en antimaterie

Dus als CP-symmetrie absoluut strikt wordt nageleefd, transformeren neutrale kaonen K 0 met precies dezelfde waarschijnlijkheid in hun antideeltjes als waarin ze omgekeerde transformaties ondergaan. Elke schending van de CP-symmetrie zal een verandering in een van deze kansen met zich meebrengen. Als we een bundel van een gelijk aantal neutrale kaonen en antikaonen voorbereiden en de dynamiek van de concentratie van beide deeltjes volgen, kunnen we erachter komen of hun kwantumoscillaties de CP-symmetrie respecteren.

Zo hadden onderzoekers tegen het einde van de twintigste eeuw op overtuigende wijze bewezen dat zwakke interacties deeltjes en antideeltjes verschillend beïnvloeden. Hoewel deze verschillen zelf erg klein zijn en alleen zichtbaar worden tijdens bepaalde transformaties van zeer exotische deeltjes, zijn ze allemaal volkomen reëel. Dit betekent de aanwezigheid van fysieke asymmetrie tussen materie en antimaterie.

Om het beeld compleet te maken, is het de moeite waard om nog een omstandigheid op te merken. In de jaren vijftig werd de belangrijkste positie van de relativistische kwantummechanica bewezen: de CPT-stelling. Er wordt gesteld dat deeltjes en antideeltjes strikt symmetrisch zijn ten opzichte van de CP-transformatie, gevolgd door tijdomkering (strikt genomen is deze stelling alleen waar zonder rekening te houden met de zwaartekracht, anders blijft de vraag open). Als gevolg hiervan, als CP-symmetrie bij sommige processen niet wordt waargenomen, zou hun snelheid in de “voorwaartse” en “achterwaartse” richtingen (wat als het een en het ander wordt beschouwd, uiteraard een kwestie van overeenstemming) ongelijk moeten zijn. Dit is precies wat experimenten op CERN met neutrale kaonen hebben bewezen.

Waar zijn de antiwerelden?

Natuurlijk bestaat antimaterie als zodanig. Antideeltjes worden gegenereerd door veel hoogenergetische processen, bijvoorbeeld de thermonucleaire verbranding van stellaire brandstof en supernova-explosies. Ze ontstaan in wolken van gemagnetiseerd plasma rond neutronensterren en zwarte gaten, tijdens botsingen van snelle kosmische deeltjes in de interstellaire ruimte, tijdens het bombardement van de atmosfeer van de aarde door kosmische straling, en ten slotte tijdens experimenten met versnellers. Bovendien gaat het verval van sommige radionucliden gepaard met de vorming van antideeltjes, namelijk positronen. Maar dit zijn allemaal slechts antideeltjes en helemaal geen antimaterie. Tot nu toe heeft niemand zelfs maar kosmisch antihelium kunnen detecteren, laat staan zwaardere elementen. Ook de zoektocht naar gammastraling met een specifiek spectrum veroorzaakt door vernietiging aan de grenzen van kosmische clusters van materie en antimaterie was niet succesvol.

In de wetenschappelijke literatuur verschijnen periodiek rapporten over de ontdekking van niet-standaard primaire bronnen van kosmische antideeltjes van onbekende oorsprong. In april 2009 werden gegevens gepubliceerd over een mysterieuze overmaat aan extreem snelle positronen, gedetecteerd door het PAMELA-detectorcomplex. Deze apparatuur bevindt zich aan boord van de Russische Resurs-DK1-satelliet, die op 15 juni 2006 vanuit het Bajkonoer-kosmodroom in een lage baan om de aarde werd gestuurd. Sommige experts interpreteerden dit resultaat als mogelijk bewijs van de vernietiging van hypothetische donkere materiedeeltjes, maar al snel kwam er een minder exotische verklaring naar voren. Deze hypothese werd voor PM becommentarieerd door de beroemde kosmische stralingsspecialist Veniamin Berezinsky van het Gran Sasso National Laboratory, onderdeel van het Italiaanse Nationale Instituut voor Kernfysica: “Het standaardmodel van de geboorte van galactische kosmische straling berust op drie posities. De eerste en belangrijkste bron van geladen deeltjes worden beschouwd als supernovaresten. Het tweede idee is dat deeltjes worden versneld tot ultrarelativistische snelheden aan de fronten van post-explosieve schokgolven, en dat hun eigen magnetische veld een zeer grote rol speelt in deze versnelling. De derde positie is dat kosmische straling zich voortplant door diffusie. Mijn voormalige student en nu professor aan het National Institute of Astrophysics, Pasquale Blasi, toonde aan dat de overmaat aan positronen die door het PAMELA-complex wordt gedetecteerd, volkomen consistent is met dit model. Protonen die in schokgolven worden versneld, botsen met deeltjes kosmisch gas en het is in deze zone van hun versnelling dat ze veranderen in positieve pionen, die vervallen om positronen en neutrino's te vormen. Volgens de berekeningen van Blasi zou dit proces heel goed precies de concentratie positronen kunnen opleveren die PAMELA heeft geïdentificeerd. Een dergelijk mechanisme voor het genereren van positronen lijkt volkomen natuurlijk, maar om de een of andere reden is het tot nu toe nog nooit bij iemand opgekomen. Blasi toonde ook aan dat dezelfde processen ook overtollige antiprotonen zouden moeten genereren. De doorsnede voor hun productie is echter veel kleiner dan de overeenkomstige waarde voor positronen, en daarom kunnen ze alleen bij hogere energieën worden gedetecteerd. Ik denk dat dit op termijn mogelijk zal worden.”

Over het algemeen wijst alles er tot nu toe op dat er geen antisterren, geen antiplaneten of zelfs maar de kleinste antimeteoren in de ruimte zijn. Aan de andere kant beweren conventionele modellen van de oerknal dat ons heelal kort na zijn geboorte evenveel deeltjes als antideeltjes bevatte. Dus waarom overleefde de eerste en verdween de laatste? Lees het antwoord op deze vraag in het volgende nummer van PM.

Vond je het artikel leuk? Deel het

Druk dit artikel af