Война частиц иантичастиц: закем осталось поле боя наша вселенная?

      Комментарии к записи Война частиц иантичастиц: закем осталось поле боя наша вселенная? отключены

Война частиц иантичастиц: закем осталось поле боя наша вселенная?

    До тех пор пока никому не удалось найти космический антигелий и гамма-излучение со своеобразным спектром, обусловленное аннигиляцией на антиматерии скоплений и границах материи AMS на МКС На протяжении одной из последних миссий шаттлов (STS-134) в 2010 году на МКС будет доставлен новый научный прибор — магнитный альфа-спектрометр (AMS-02, Alpha Magnetic Spectrometer). Его прототип AMS-01 был доставлен на борт космической станции «Мир» во второй половине 90-ых годов двадцатого века и подтвердил работоспособность копцепции.
    Главной целью научной программы будет измерение и изучение с высокой точностью состава космических лучей, и поиск экзотических форм материи — чёрной материи, необычной материи (частиц, в составе которых имеется необычные (s) кварки), и антиматерии — в частности, ядер антигелия Космический инструмент Миссия AMS-02 продлится около трех лет. Семитонный модуль, пристыкованный к МКС, как ожидается, зарегистрирует более 1 млрд ядер гелия и пара ядер антигелия. Предшественник этого детектора, AMS-01, зарегистрировал около 1 млн ядер гелия, но антигелия не нашёл

В действительности утверждение о том, что сотрудничество античастиц и частиц неизменно влечет за собой рождение фотонов, неверно кроме того по отношению к позитронам и электронам. Свободная электронно-позитронная пара аннигилирует с образованием электромагнитных квантов только в том случае, если ее энергия не через чур громадна.

Весьма позитроны и быстрые электроны способны порождать хорошие и отрицательные пи-мезоны (они же пионы), плюс- и минус-мюоны, антипротоны и протоны, а также еще более тяжелые частицы — хватило бы лишь энергии. антипротоны и Медленные протоны при аннигиляции дают начало заряженным и нейтральным пионам (а стремительные — и вторым частицам), каковые распадаются на гамма-кванты, мюоны и нейтрино. В принципе, столкновение частицы и ее антикопии может дать на выходе любую из комбинаций частиц, не запрещенных законами сохранения и принципами симметрии.

Может показаться, что аннигиляция ничем не отличается от других межчастичных сотрудничеств, но одна принципиальная изюминка у нее имеется. Дабы стабильные частицы, такие как протоны либо электроны, при встрече породили ливневой дождь из экзотических жителей микромира, их необходимо как направляться разогнать. Медленные протоны при встрече собственную скорость — этим дело и закончится.

А вот антипротон и протон, сблизившись, или претерпят упругое рассеяние и разойдутся, или аннигилируют и произведут на свет вторичные частицы.

Все вышеописанное относится к аннигиляции свободных частиц. В случае если хотя бы одна из них входит в состав квантовой совокупности, в принципе обстановка остается прошлой, но альтернативы изменяются. К примеру, аннигиляция свободного позитрона и свободного электрона ни при каких обстоятельствах не имеет возможности породить всего один квант — не разрешает закон сохранения импульса.

Это легче всего заметить, в случае если трудиться в совокупности центра инерции сталкивающейся пары, — тогда начальный импульс будет равен нулю и потому никак не сможет совпасть с импульсом единичного фотона, куда бы тот ни улетел. В случае если же позитрон встретится с электроном, входящим, скажем, в состав атома водорода, вероятна и однофотонная аннигиляция — в этом случае часть импульса передастся ядру атома.

Как по поводу антиграва?

Британский физик Артур Шустер полагал, что антиматерия гравитационно отталкивается от простой материи, но современная наука вычисляет это маловероятным. Из самых неспециализированных правил симметрии законов микромира направляться, что античастицы должны притягиваться друг к другу силами тяготения, подобно частицам без приставки «анти». Вопрос о том, каково гравитационное сотрудничество античастиц и частиц, до конца еще не решен, но ответ на него практически очевиден.

Для начала обратимся к эйнштейновской неспециализированной теории относительности. Она основана на принципе строгого равенства гравитационной и инертной весов, причем для простого вещества это утверждение экспериментально подтверждено множеством правильнейших измерений. Потому, что инертная масса частицы совершенно верно равна массе ее античастицы, представляется весьма возможным, что их гравитационные веса также равны.

Но это все-таки предположение, пускай и весьма похожое на правду, и средствами ОТО оно недоказуемо.

Еще один довод против гравитационного отталкивания между антивеществом и веществом направляться из квантовой механики. Отыщем в памяти, что адроны (частицы, принимающие участие в сильных сотрудничествах) сложены из кварков, склеенных глюонными связями.

В состав каждого бариона входят три кварка, тогда как мезоны складываются из антикварков комбинаций и парных кварков, причем не всегда одних и тех же (мезон, в состав которого входят кварк и его личный антикварк, есть действительно нейтральной частицей в том смысле, что он всецело тождественен собственному антимезону). Но эти кварковые структуры нельзя считать полностью стабильными.

Протон, к примеру, скомпонован из двух u-кварков, любой из которых несет элементарный заряд +2/3, и одного d-кварка с зарядом -1/3 (исходя из этого заряд протона равен +1). Но эти кварки в следствии сотрудничества с глюонами смогут на весьма маленькое время поменять собственную природу — в частности, преобразовываться в антикварки. В случае если античастицы и частицы гравитационно отталкиваются, вес протона (и, конечно, нейтрона) обязан давать не сильный осцилляции.

Но до сих пор ни в единой лаборатории подобный эффект не нашли.

Возможно не сомневаться, что когда-нибудь на данный вопрос ответит Его Величество Опыт. Необходимо-то мало — накопить побольше антивещества и взглянуть, как оно поведет себя в поле земного тяготения. Но технически эти измерения поразительно сложны, и тяжело угадать, в то время, когда их удастся осуществить.

Так в чем же отличие?

По окончании открытия позитрона в течение четверти века практически все физики были уверены, что природа не видит различий между античастицами и частицами. Конкретнее, считалось, что любому физическому процессу с участием частиц соответствует совершенно верно такой же процесс с участием античастиц и осуществляются они оба с однообразной возможностью. Наличные экспериментальные эти свидетельствовали, что данный принцип соблюдается для всех четырех фундаментальных сотрудничеств — сильного, электромагнитного, не сильный и гравитационного.

А позже как-то сходу все быстро изменилось. Во второй половине 50-ых годов двадцатого века американские физики Ли Дзун-дао и Янг Дженьнин опубликовали удостоенную Нобелевской премии работу, в которой они обсуждали затруднения, которые связаны с тем, что две, казалось бы, однообразные частицы, тэтамезон и таумезон, распадаются на различное число пионов.

Авторы выделили, что эту проблему возможно дать добро, в случае если высказать предположение, что такие распады связаны с процессами, темперамент которых изменяется при переходе от правого клевому, в противном случае говоря, при зеркальном отражении (чуть позднее физики осознали, что в общем виде необходимо сказать об отражениях в каждой из трех координатных плоскостей — либо, что то же самое, о смене знаков всех пространственных координат, пространственной инверсии). Это указывает, что зеркально отраженный процесс может оказаться под запретом либо происходить с другой возможностью, нежели до отражения. Годом позднее американские экспериментаторы (принадлежащие двум свободным группам и трудившиеся различными способами) подтвердили, что такие процессы вправду существуют.

Это было лишь начало. Тогда же физики из США и СССР поняли, что нарушение зеркальной симметрии делает вероятным и нарушение симметрии относительно замены частиц на античастицы, что также было много раз доказано в опытах. Необходимо подчеркнуть, что незадолго до Ли и Янга, но все в том же 1956 году возможность нарушения зеркальной симметрии обсуждали физик-экспериментатор Мартин великий теоретик и Блок Ричард Фейнман, но они так и не опубликовали этих мыслей.

Физики традиционно обозначают зеркальное отражение латинской буквой Р, а замену частиц на их античастицы — буквой С. Обе симметрии нарушаются лишь в процессах с участием не сильный сотрудничества, того самого, что отвечает за бета-распад ядер атома. Из этого следует, что именно благодаря не сильный сотрудничествам существуют различия в поведении античастиц и частиц.

Необычное нарушение зеркальной симметрии вызвало попытки чем-то ее компенсировать. Уже во второй половине 50-ых годов двадцатого века Ли и Янг и независимо от них Лев Ландау высказали предположение, что природа не делает различий между совокупностями, каковые получаются приятель из приятеля совместным применением преобразований С и Р (так называемая СР-симметрия). С позиций теории эта догадка смотрелась весьма убедительной и к тому же прекрасно ложилась на экспериментальные эти.

Но всего через восемь лет сотрудники Брукхейвенской национальной лаборатории поняли, что один из незаряженных К-мезонов (либо, как их еще именуют, каонов) может распадаться на пионную несколько. При строгом соблюдении СР-симметрии такое превращение нереально — и следовательно, эта симметрия не универсальна! Действительно, часть помой-му запрещенных распадов не превышала 0,2%, но они все же имели место!

Это открытие принесло начальникам брукхейвенской команды Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу Нобелевскую премию в области физики.

антиматерия и Симметрия

Нарушения СР-симметрии конкретно связаны с отличием материи от антиматерии. Во второй половине девяностых годов в ЦЕРН совершили прекрасный опыт с нейтральными каонами К0, любой из которых складывается из d-кварка и более массивного необычного антикварка. Законы природы разрешают антикварку утратить часть энергии и превратиться в анти-d.

Высвободившаяся энергия может пойти на распад каона, но нельзя исключать, что соседний d-кварк поглотит ее и превратится в необычный кварк. В следствии этого появится частица, складывающаяся из анти-d-странного кварка и кварка, другими словами нейтральный антикаон. Формально это превращение возможно обрисовать как следствие применения к каону СР-преобразования!

Так, в случае если СР-симметрия соблюдается полностью строго, то нейтральные каоны К0 переходят в собственные античастицы с совершенно верно такой же возможностью, с какой те претерпевают обратные превращения. Любое нарушение СР-симметрии повлечет за собой изменение одной из этих возможностей. В случае если приготовить пучок из равного числа нейтральных каонов и антикаонов и проследить динамику концентрации тех и других частиц, возможно узнать, уважают ли их квантовые осцилляции СР-симметрию.

Именно это и сделали физики из ЦЕРН. Они узнали, что нейтральные антикаоны становятся каонами чуть-чуть стремительнее, чем преобразовываются в антикаоны. В противном случае говоря, был обнаружен процесс, на протяжении которого антиматерия преобразовывается в материю стремительнее, чем материя — в антиматерию! В смеси с изначально равными долями антивещества и вещества со временем образуется пускай небольшой, но все же поддающийся измерению избыток вещества.

Такой же эффект был распознан в опытах и с другими тяжелыми нейтральными частицами — D0-мезонами и B0-мезонами.

Так, к концу ХХ века экспериментаторы убедительно доказали, что не сильный сотрудничества по-различному воздействуют на античастицы и частицы. Не смотря на то, что эти различия сами по себе малы и выявляются только на протяжении некоторых превращений очень экзотических частиц, они все совсем настоящи. Это и свидетельствует наличие физической асимметрии между антиматерией и материей.

Для полноты картины необходимо подчеркнуть еще одно событие. В 1950-х годах было доказано наиболее значимое положение релятивистской квантовой механики — СРТ-теорема. Она гласит, что античастицы и частицы строго симметричны по отношению к СР-преобразованию, за которым направляться обращение времени (строго говоря, эта теорема верна только не учитывая гравитации, в другом случае вопрос остается открытым).

Следовательно, в случае если в каких-то процессах не соблюдается СР-симметрия, их скорость в «прямом» и «обратном» направлениях (что вычислять тем и вторым, само собой разумеется, вопрос соглашения) должна быть неодинаковой. Именно это и доказали опыты в ЦЕРН с нейтральными каонами.

Где же антимиры?

В первой половине 30-ых годов XX века Поль Дирак был уверен, что в отечественной Вселенной существуют целые острова антивещества, о чем и упомянул в собственной нобелевской лекции. Но современные ученые уверены в том, что таких островов нет ни в отечественной Галактике, ни за ее пределами.

Само собой разумеется, антиматерия как таковая существует. Античастицы порождаются многими высокоэнергетическими процессами — скажем, термоядерным горением звездного горючего и взрывами сверхновых звезд. Они появляются в тучах замагниченной плазмы, окружающих чёрные дыры и нейтронные звёзды, на протяжении столкновений стремительных космических частиц в межзвездном пространстве, при бомбардировке земной атмосферы космическими лучами и, наконец, в опытах на ускорителях.

Помимо этого, распад некоторых радионуклидов сопровождается образованием античастиц- в частности позитронов. Но все это только античастицы, а отнюдь не антивещество. До сих пор никому не удалось найти кроме того космический антигелий, не говоря уж об элементах потяжелее.

Не увенчался успехом и поиск гамма-излучения со своеобразным спектром, обусловленного аннигиляцией на границах космических антиматерии и скоплений материи.

В научной литературе иногда появляются сообщения об открытии нестандартных первичных источников космических античастиц непонятного происхождения. В апреле 2009 года были опубликованы информацию о таинственном избытке очень стремительных позитронов, зарегистрированном детекторным комплексом PAMELA. Эта аппаратура размещена на борту российского спутника «Ресурс-ДК1», 15 июня 2006 года посланного на околоземную орбиту со стартовой площадки Байконур.

Кое-какие специалисты трактовали результат как вероятное свидетельство аннигиляции гипотетических частиц чёрной материи, но скоро показалось и не столь экзотическое объяснение. Эту догадку прокомментировал для «ПМ» узнаваемый эксперт по космическим лучам Вениамин Березинский из Национальной лаборатории Гран-Сассо, входящей в состав итальянского Национального университета ядерной физики: «Стандартная модель рождения галактических космических лучей покоится на трех положениях.

Первым и главным источником заряженных частиц вычисляют остатки сверхновых. Вторая мысль — частицы ускоряются до ультрарелятивистских скоростей на фронтах послевзрывных ударных волн, причем в этом ускорении весьма громадна роль их собственного магнитного поля. Третье положение содержится в том, что космические лучи распространяются диффузионно.

Мой бывший студент, а сейчас доктор наук Национального университета астрофизики Паскуале Блази продемонстрировал, что избыток позитронов, найденный комплексом PAMELA, в полной мере согласуется с данной моделью. Разогнанные в ударных волнах протоны сталкиваются с частицами космического газа и как раз в данной территории собственного ускорения преобразовываются в хорошие пионы, каковые распадаются с образованием позитронов и нейтрино.

В соответствии с вычислениям Блази, данный процесс в полной мере может дать как раз такую концентрацию позитронов, которую распознала PAMELA. Подобный механизм генерации позитронов выглядит полностью конечно, но почему-то до сих пор он никому не приходил в голову. Блази продемонстрировал кроме этого, что эти же процессы должны генерировать и избыточные антипротоны.

Но поперечное сечение их рождения большое количество меньше соответствующей величины для позитронов, почему их возможно зарегистрировать только при более высоких энергиях. Пологаю, что со временем это станет вероятным».

В общем, пока все говорит за то, что в космосе нет ни антизвезд, ни антипланет, ни кроме того самых маленьких антиметеоров. Иначе, общепринятые модели Громадного взрыва утверждают, что практически сразу после рождения отечественная Вселенная содержала однообразное количество античастиц и частиц. Так отчего же первые сохранились, а вторые провалились сквозь землю?

Ответ на данный вопрос просматривайте в следующем номере «ПМ».

Мир либо антимир?

Вообразим, что мы летим на межзвездном корабле, что приближается к планете с разумной судьбой. Как определить, из чего сделаны отечественные братья по разуму — из вещества либо антивещества? Возможно послать разведывательный зонд, но если он взорвется в воздухе, нас смогут счесть за космических агрессоров, как в фантастическом романе Кшиштофа Боруня «Антимир».

Этого возможно избежать посредством все тех же нейтральных каонов и антикаонов. Как уже говорилось, они способны не только преобразовываться приятель в приятеля, но и распадаться, причем различными методами. В аналогичных распадах смогут рождаться нейтрино в сопровождении или электронов и положительных пионов, или позитронов и отрицательных пионов. В силу асимметрии между антиматерией и материей темпы таких реакций пара разны.

Это событие и возможно применять в качестве «лакмусовой бумаги».

Для проверки планеты на антиматериальность комфортно забрать не чистые каоны и антикаоны, а их смешанные состояния; их обозначают как KS и KL (S — short, а L — long). Дело в том, что в состоянии L жизненный срок частицы в 570 раз дольше, чем в состоянии S (5,12 х 10−8 с против 8,95 х 10−11 с). В долгоживущей версии каонов антиматерии и симметрия материи проявляется значительно посильнее — на каждые 10 000 распадов нужного типа приблизительно 5015 создают позитроны, а 4985 — электроны.

Кстати, исторический опыт Кронина и Финча также сделан на KL-мезонах.

А сейчас начнем беседу. Каоны владеют характерной массой, чуть превышающей половину массы протона. Давайте объясним братьям по разуму, что нам нужна нестабильная нейтральная частица, масса которой больше массы ядра несложного из атомов. Инопланетные физики изготовят KL-мезоны и выяснят характеристики их распадов.

Мы спросим, сходится ли символ заряда самой легкой из заряженных частиц, порождаемой в этих распадах чуть чаще, чем подобная частица противоположного символа, со знаком частиц, входящих в атомы их мира. При утвердительного ответа нам станет ясно, что в состав их атомов входят позитроны и, следовательно, инопланета складывается из антиматерии. А вдруг ответ будет отрицательным — возможно подготавливаться к посадке!

Антиматерия в космосе: Главные дороги поиска антиматерии

    Млечный путь и Антиматерия

Это регистрация излучения с энергией, характерной для аннигиляции, или конкретно регистрация античастиц по заряду и массе. Потому, что ядра и антипротоны антигелия не смогут пролететь через воздух, их регистрация вероятна только посредством инструментов, поднятых в высокие слои атмосферы на аэростатах, либо орбитальных инструментов, таких как магнитный альфа-спектрометр AMS-01, доставленный на станцию «Мир» во второй половине 90-ых годов двадцатого века, либо его существенно усовершенствованный собрат AMS-02 (на фотографии), что начнет собственную работу на МКС в 2010 году.

Млечный путь и Антиматерия

В 1970-х годах астрологи при помощи гамма-телескопов, установленных на высотных аэростатах, нашли гамма-кванты с энергией 511 кэВ, приходящие из самого центра отечественной Галактики — Млечного Пути. Как раз такая энергия характерна для аннигиляции свободных позитронов и электронов, что разрешило предположить наличие облака антиматерии размерами около 10 000 световых лет.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№88, февраль 2010).

Вся Наша Вселенная HD Космическое путешествие 1080p


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: