Dlaczego istniejemy To chyba najgłębsze pytanie, które może wydawać się całkowicie poza zakresem fizyki cząstek elementarnych. Jednak nasz nowy eksperyment w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN przybliżył nas do odpowiedzi. Aby zrozumieć, dlaczego istniejemy, trzeba najpierw cofnąć się 13,8 miliarda lat temu, w czasie Wielkiego Wybuchu. To wydarzenie wyprodukowało taką samą ilość substancji, z której jesteśmy stworzeni, i antymaterii.
Uważa się, że każda cząstka ma partnera antymaterii, który jest prawie identyczny z nią, ale ma przeciwny ładunek. Kiedy cząstka i jej antycząstka spotykają się, anihilują - znikają w błysku światła.
Gdzie jest cała antymateria?
To, dlaczego wszechświat, który widzimy, składa się w całości z materii, jest jedną z największych tajemnic współczesnej fizyki. Gdyby była kiedyś taka sama ilość antymaterii, wszystko we wszechświecie unicestwiłoby. Wydaje się więc, że niedawno opublikowane badanie znalazło nowe źródło asymetrii między materią a antymaterią.
Arthur Schuster jako pierwszy mówił o antymaterii w 1896 r., Następnie w 1928 r. Paul Dirac podał jej podstawy teoretyczne, aw 1932 r. Karl Anderson odkrył ją w postaci antyelektronów, zwanych pozytonami. Pozytrony powstają w naturalnych procesach radioaktywnych, takich jak rozpad potasu-40. Oznacza to, że zwykły banan (zawierający potas) emituje pozyton co 75 minut. Następnie anihiluje z elektronami w materii, wytwarzając światło. Zastosowania medyczne, takie jak skanery PET, również wytwarzają antymaterię w podobnym procesie.
Głównym budulcem substancji, z której zbudowane są atomy, są cząstki elementarne - kwarki i leptony. Istnieje sześć rodzajów kwarków: górny, dolny, dziwny, zaczarowany, prawdziwy i piękny. Podobnie jest sześć leptonów: elektron, mion, tau i trzy rodzaje neutrin. Istnieją również antymaterialne kopie tych dwunastu cząstek, które różnią się tylko ładunkiem.
W zasadzie cząsteczki antymaterii powinny być idealnym lustrzanym odbiciem swoich zwykłych satelitów. Ale eksperymenty pokazują, że nie zawsze tak jest. Weźmy na przykład cząstki znane jako mezony, które składają się z jednego kwarka i jednego antykwarka. Neutralne mezony mają niesamowitą cechę: mogą spontanicznie zmienić się w ich antymezon i odwrotnie. W tym procesie kwark zamienia się w antykwark lub antykwark zamienia się w kwark. Jednak eksperymenty wykazały, że może się to zdarzać częściej w jednym kierunku niż w innym - w wyniku czego z czasem materii jest więcej niż antymaterii.
Film promocyjny:
Trzeci raz jest magiczny
Wśród cząstek zawierających kwarki takie asymetrie znaleziono tylko w dziwnych i pięknych kwarkach - i te odkrycia stały się niezwykle ważne. Pierwsza obserwacja asymetrii cząstek dziwnych w 1964 roku pozwoliła teoretykom przewidzieć istnienie sześciu kwarków - w czasie, gdy istniały tylko trzy. Odkrycie asymetrii w pięknych cząstkach w 2001 roku było ostatecznym potwierdzeniem mechanizmu, który doprowadził do powstania sześciokwarkowego obrazu. Oba odkrycia otrzymały Nagrody Nobla.
Zarówno dziwne, jak i piękne kwarki mają ujemne ładunki elektryczne. Jedynym dodatnio naładowanym kwarkiem, który teoretycznie powinien być zdolny do tworzenia cząstek mogących wykazywać asymetrię materii i antymaterii, jest kwark zaklęty. Teoria sugeruje, że robi to, jego efekt powinien być nieistotny i trudny do znalezienia.
Ale eksperyment LHCb w Wielkim Zderzaczu Hadronów był w stanie zaobserwować taką asymetrię cząstek zwanych mezonami D, które składają się z zaklętych kwarków - po raz pierwszy. Jest to możliwe dzięki bezprecedensowej ilości zaklętych cząstek wytwarzanych bezpośrednio podczas zderzeń w LHC. Wynik pokazuje, że prawdopodobieństwo, że jest to fluktuacja statystyczna, wynosi 50 na miliard.
Jeśli ta asymetria nie rodzi się z tego samego mechanizmu, który prowadzi do asymetrii dziwnych i pięknych kwarków, jest miejsce na nowe źródła asymetrii materii-antymaterii, które mogłyby zwiększyć ogólną asymetrię tych we Wszechświecie. Jest to ważne, ponieważ kilka znanych przypadków asymetrii nie może wyjaśnić, dlaczego we Wszechświecie jest tak dużo materii. Samo odkrycie kwarków powabnych nie wystarczy, aby rozwiązać ten problem, ale jest to ważny element układanki w zrozumieniu podstawowych interakcji cząstek.
Następne kroki
Po tym odkryciu nastąpi wzrost liczby prac teoretycznych, które pomogą w interpretacji wyniku. Ale co ważniejsze, nakreśli dalsze testy, aby pogłębić nasze zrozumienie naszego odkrycia - a niektóre z tych testów już trwają.
W nadchodzącej dekadzie zmodernizowany eksperyment LHCb zwiększy czułość takich pomiarów. Zostanie on uzupełniony przez eksperyment Belle II w Japonii, który dopiero się zaczyna.
Antymateria jest także podstawą wielu innych eksperymentów. Całe antyatomy są produkowane w Antiproton Moderator CERN i zapewniają szereg bardzo dokładnych eksperymentów pomiarowych. Eksperyment AMS-2 na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej polega na poszukiwaniu antymaterii pochodzenia kosmicznego. Szereg obecnych i przyszłych eksperymentów zostanie poświęconych pytaniu, czy między neutrinami występuje asymetria materia-antymateria.
Chociaż nadal nie możemy w pełni rozwikłać tajemnicy asymetrii materii i antymaterii, nasze najnowsze odkrycie otworzyło drzwi do epoki precyzyjnych pomiarów, które mogą ujawnić jeszcze nieznane zjawiska. Są wszelkie powody, by sądzić, że pewnego dnia fizycy będą w stanie wyjaśnić, dlaczego w ogóle tu jesteśmy.
Ilya Khel