О чем речь | Антиматерия

О чем речь | Антиматерия Статьи
  • В прошлые разы я кратко упомянал античастицы. Пришло время проиллюстрировать это довольно туманное понятие.

Что имеется в виду, когда мы говорим об античастицах? Просто с экспериментальной точки зрения установлено, что для каждой частицы существует другая частица, которая имеет (в пределах экспериментальной уверенности) точно такую же массу.

Она также обладает теми же свойствами, когда речь идет о способе ее вращения(не совсем вращения), так называемом спине. Это “вращение” я объясню в другой раз.

Однако, учитывая все остальное, все обстоит с точностью до наоборот:

  • Если частица имеет отрицательный электрический заряд, то античастица имеет положительный электрический заряд.
  • Если частица имеет красный цвет, то античастица имеет противоположный заряд, который за неимением лучшего названия называется антикрасным. И так далее.

Единственным исключением из этого правила являются те частицы, которые кроме массы и спина не обладают никакими другими свойствами.

Примером может служить фотон, который совершенно не имеет заряда. В этом случае частица является своей собственной античастицей.

Это довольно удивительные объекты, но у нас есть очень хорошее экспериментальное доказательство того, что они существуют. На самом деле, мы настолько хорошо знаем антиматерию, что некоторые эксперименты, например, старый кольцевой электрон — позитронный коллайдер БЭПК LEP в ЦЕРНе, используют материю и антиматерию в качестве отправной точки:

В LEP сталкиваются электроны и их античастицы — позитроны.

Материя и антиматерия демонстрируют очень впечатляющий эффект: поскольку один плюс минус один равен нулю, для материи и антиматерии возможно аннигилировать друг с другом во что-то другое, когда они сталкиваются.

Например, в фотоны. Или другие частицы.

Это происходит очень легко. Следовательно, вы можете спросить, почему мы не аннигилируем всякий раз, когда прикасаемся к чему-то.

Ответ удивительно прост: Потому что все вокруг нас состоит из материи.

Если мы хотим использовать антиматерию или изучать ее, мы должны создать ее искусственно. Это не так просто, и мы можем эффективно создавать только очень маленькие количества. Большие количества быстро становятся очень дорогими(1 грамм — 60 триллионов долларов) в основном потому, что не так-то просто держать ее подальше от материи, чтобы она не аннигилировала с ней.

Это кажется достаточно простым ответом, но настоящий вопрос, озадачивающий физиков таков: Почему это так? Если они настолько равны, почему мы не имеем одинакового количества и того и другого (и таким образом не исчезаем в большом фотонном облаке)?

Это еще один из вопросов, на который у нас пока нет настоящего ответа. Раздражает то, что проблема заключается не в том, что мы не знаем, как это можно реализовать экспериментально. На самом деле, в стандартной модели физики частиц существует очень небольшое предпочтение материи перед антиматерией, когда речь идет о слабой силе.

Это означает, что хотя материя и антиматерия по сути равны, силы делают различие между ними. Однако этот эффект слишком мал, чтобы объяснить, почему вокруг нас так фантастически мало антиматерии.

  • Хорошо, скажете вы: Давайте на время забудем об экспериментальных данных и спросим, действительно ли нам нужна антиматерия? Может ли это простое объяснение быть просто неверной интерпретацией экспериментов и то, что мы считаем антиматерией, на самом деле является чем-то другим? Если это так, то нам придется пересмотреть наше полное представление о том, как стандартная модель описывается теоретически. Действительно, математическая структура стандартной модели требует существования античастицы для того, чтобы каждая частица работала правильно. Если бы мы удалили античастицы из теории, последствия были бы критическими.

Можно было бы даже получить следствия без причин или причины без следствий. Но мы так делать не будем

Это не то, что мы наблюдаем(почему ее так мало), но то, что мы наблюдаем, описывается стандартной моделью с частицами и античастицами. Таким образом, мы принимаем экспериментальные результаты как доказательство существования античастиц, и все сходится, когда мы что-то вычисляем.

Конечно это означает, что мы удваиваем число частиц.

Вплоть до таких исключений, как фотон, все частицы теперь сопровождаются своими античастицами. А каждому заряду соответствует антизаряд. Однако это также дает новые возможности для новых явлений. В прошлый раз это дало нам вариант конденсата кварков и антикварков. Кроме того, существуют связанные состояния кварков и антикварков, так называемые мезоны. Самые известные и самые легкие из них — это так называемые пионы, которых существует три:

Один — незаряженный, другой — положительно заряженный и третий — отрицательно заряженный.

Нейтральный пион снова является своей античастицей. Причина в том, что он состоит из кварка и соответствующего антикварка. Таким образом, замена составной частицы на составную античастицу дает то же самое связанное состояние. Заряженные частицы являются античастицами друг друга, потому что они содержат кварк вверх(U) и кварк вниз(D) и антикварк вверх и кварк вниз, соответственно.

Обмен частиц на античастицы приводит к обмену обоих связанных состояний. Таким образом, можно очень весело строить вещи из частиц и античастиц

Можно также взять атом водорода и обменять его ядро, протон, на античастицу электрона, позитрон. Поскольку позитрон имеет тот же электрический заряд, что и протон, получается даже нечто очень похожее на атом.

Это так называемый позитроний, известный уже очень давно.

Недавно удалось также создать настоящие антиатомы, сделанные из антиядра и позитронов. Они очень важны для проверки того, действительно ли мы поняли все об антиматерии. Если да, то они должны вести себя так же, как и обычные атомы. А так ли это на самом деле, сейчас пытаются выяснить экспериментаторы

Такими простыми темами мы подползаем к темам суперсимметрии и мультивселенной. Поэтому продолжение следует.

Оцените статью
Маяк Науки
Добавить комментарий

восемь + 10 =