La antimateria es algo bastante popular, tanto en ciencia ficción como simplemente en disputas pseudocientíficas sobre "cómo funciona realmente todo". La ciencia ficción nos dio estrellas y sistemas planetarios completos de antimateria. Dan Brown, a través de "Ángeles y demonios", trajo este fenómeno a casi todos.
En general, abundan la ficción y la especulación. En el artículo nos sumergiremos un poco en la historia: cómo las matemáticas casi puras predijeron tal fenómeno cuando intentaron "descuidarlo", hasta que la antimateria en sí misma voló hacia los detectores. Luego repasaremos lo que sabemos ahora y llegaremos al mayor dolor de cabeza de los físicos: ¿por qué había más sustancia en el universo que la antimateria?
Este artículo fue escrito en una continuación de un ciclo muy lento sobre la física de neutrinos: el
descubrimiento de neutrinos ,
oscilaciones de neutrinos para tontos,
neutrinos de supernovas .
Un poco de historia
El comienzo de la mecánica cuántica.
Vayamos desde la distancia, casi desde la creación de la cuántica. Los físicos no lograron contar cómo brilla el cuerpo calentado. El hecho de que esté encendido nadie lo disputa, el beneficio a simple vista es visible, pero es imposible contar en números: la integral diverge, resulta infinito.
Max Planck ofrece un truco simple: supongamos que la luz se emite en porciones, y no continuamente. Y listo, el infinito desaparece, y el resultado de los cálculos coincide perfectamente con el experimento. Es divertido que Planck haya demostrado durante mucho tiempo que este es un truco puramente matemático, y que aquí no hay ningún significado físico. Einstein inmediatamente recogió esta idea y sugirió que la luz en general existe exclusivamente en forma de porciones separadas:
fotones . Y luego discutió con Planck durante mucho tiempo y le explicó lo que realmente había descubierto.
Entonces los físicos se dieron la vuelta. La capacidad de describir la luz como una onda y como una partícula voladora inmediatamente impulsó la propuesta de ir en la dirección opuesta: describir la partícula como una onda, para calcular las características de la onda: longitud, frecuencia. La confirmación experimental no se hizo esperar, y en 1927 fue posible
demostrar la interferencia de electrones que pasaban por dos rendijas, ¡un efecto de onda pura!
A raíz de estas ideas,
Schrödinger decide cómo describir cualquier partícula usando la ecuación de onda. No profundizaremos en las matemáticas, solo diremos que esta ecuación nos permitió calcular las características de onda de una partícula para condiciones dadas: la probabilidad de encontrarla en un lugar particular, la probabilidad de tener una cierta velocidad, etc. Entonces en esos días describieron el fenómeno
de la dualidad onda-partícula .
La antimateria entra en escena
20 años antes de eso, Einstein formuló su
teoría especial de la relatividad . En el contexto de nuestro artículo, la conexión que estableció entre masa, energía e impulso es extremadamente importante. La mayoría de la gente recordará esta famosa expresión de una partícula en reposo.
. Es simple, hermoso, pero, desafortunadamente, no es aplicable a las partículas en movimiento. Para ellos, uno también debe tener en cuenta el impulso (p):
¡Y aquí hay muchos problemas! ¡Conducirán al descubrimiento de la antimateria!
La ecuación de Schrödinger funcionó bien para partículas no tan rápidas. En tales casos, las ecuaciones de la mecánica newtoniana familiares para todos desde la escuela se mantuvieron verdaderas. Pero estamos rodeados de muchas partículas muy rápidas, y para ellas necesitamos usar la ecuación anterior, conectando energía, momento y masa. El problema era extraer la raíz para encontrar energía.
A Paul Dirac en 1930 se le ocurrió una forma complicada de hacerlo usando matrices y generalizó la ecuación de Schrödinger a partículas de alta energía.
Luego se encontró con una clase conocida con el séptimo problema: extraer la raíz da dos soluciones. Recuerde, cuando resuelve problemas en la escuela, ¿a veces obtiene decisiones negativas? Por lo general, escriben "no tiene un significado físico" y escriben cuidadosamente una decisión positiva. Por ejemplo, contando cuando los autos en movimiento se encuentran, obtienes respuestas: -1 hora y 3 horas, la primera siempre se descarta. No es sin sentido, hace una hora los autos estaban realmente en un punto, pero para responder a la pregunta: "¿Cuándo se encontrarán en el futuro?", No es bueno.
Entonces, Dirac, calculando el movimiento de un electrón, recibió soluciones con energía negativa. La primera idea fue descartar esta respuesta como "que no tiene significado físico". Pero, como en el caso de las máquinas, ¡aún debe haber algún sentido detrás de esta decisión!
Si permitimos la existencia de tales estados con energía negativa (y una carga positiva), entonces en física habrá un caos completo. Veamos un ejemplo de una imagen simple:
Aquí, la energía vertical es la energía de las partículas. Sobre un fondo amarillo hay electrones ordinarios con energía positiva y carga negativa. Cuanta más energía, mayor es la velocidad: todo es intuitivamente claro. Pero abajo ... Una enorme área exótica azul. Allí, si la energía disminuye, en otras palabras, se profundiza en menos, entonces la velocidad aumenta. ¿Cómo es eso?
Más aún peor. Después de todo, cualquier sistema tiende a un mínimo de energía, la pelota siempre tenderá a estar en el fondo del hoyo. Así que absolutamente todos los electrones tenderán a caer al fondo, acelerando sin parar ... En general, no habrá electrones en el mundo.
Dirac, enamorado de la belleza de las matemáticas, insistió en que la solución debería tener sentido. Por esto fue repetidamente criticado. Fue declarado ciegamente siguiendo las matemáticas, a pesar del significado físico. Es suficiente citar a Heisenberg, por cierto, un amigo cercano de Dirac:
El capítulo más triste de la física moderna es y sigue siendo la teoría de Dirac ...
Lo considero simplemente basura, que nadie puede tomar en serio.
Pero Dirac continuó salvando su teoría y, al mismo tiempo, toda la física. Sugirió que esta región azul ya está llena de electrones, y es por eso que no caen allí desde arriba: no hay lugar (¿recuerdan
el principio de Pauli ?). Es solo que la propiedad de vacío es tal que se llena toda el área azul. Tal capa llena de partículas se llama el "Mar de Dirac". Aquí es interesante considerar dos casos:
- Puedes patear un electrón en la región azul, por ejemplo, con un fotón. Recibirá mucha energía y saltará a la zona amarilla. Ahora tendremos un electrón (con energía positiva, todo está en orden) y un agujero (falta de un electrón) en la zona azul, que se comportará como una partícula positiva.
- Un electrón cargado negativamente será atraído naturalmente a un agujero positivo e incluso puede caer en él. Entonces el electrón dejará de existir y el agujero se llenará.
La pregunta sigue siendo: ¿con qué identificar un agujero en el mundo que nos rodea? Dirac propuso un protón. A lo que Oppenheimer comentó acertadamente que esto ponía en peligro la existencia de un átomo de hidrógeno, porque un protón y un electrón podrían encontrarse y desaparecer.
Descubrimiento experimental
Entonces, llegamos a la búsqueda experimental de un candidato para el papel de un "agujero" en el Mar de Dirac. Sabemos que debe estar cargado positivamente y tener una masa aproximadamente igual al electrón.
Se supone que las primeras partículas extrañas fueron observadas por
Dmitry Skobeltsyn en los años 20. Se las arregló para notar huellas en el detector que parecían un electrón, pero con una carga positiva. No pudo explicar tal efecto, y el artículo no fue publicado.
Después de Skobeltsyn, los estudiantes graduados del premio Nobel Robert Milliken ingresan a la escena histórica (premio por el trabajo sobre el efecto fotoeléctrico y la medición de la carga de un electrón). Uno de ellos, Chung-Yao Chao, observó el paso de fotones a través de la lámina de plomo. Y también encontró partículas inusuales. Pero ni su líder ni la comunidad científica creyeron los resultados, y no recibieron reconocimiento. El segundo estudiante graduado,
Karl Anderson , por cierto, amigo de Chao, observó los fotones de los rayos cósmicos en
la cámara de Wilson . Su líder esperaba ver cómo dividirían los átomos en protones y electrones. Las partículas en la cámara volaron principalmente de arriba a abajo. Y nuevamente, se descubrieron "electrones" entre ellos, desviando el otro lado en un campo magnético, es decir, con carga positiva. Al principio, Anderson pensó que se trataba de electrones ordinarios, pero que volaban de abajo hacia arriba. Agregó una placa de plomo al experimento para asegurarse de que las partículas llegaran precisamente desde arriba. Pero aquí Milliken no le creía a su estudiante graduado. Anderson, después de largos intentos fallidos de convencer al jefe, sin embargo, publicó su trabajo. Cabe señalar que ni Anderson ni Millikan probablemente conocían la teoría de Dirac. Nadie tuvo la idea de identificar partículas inusuales con "agujeros" en el "Mar de Dirac".
El siguiente paso se dio en Cambridge Blackett y Occialini. Se las arreglaron para fotografiar un número suficientemente grande de pistas de partículas positivas de luz. Ellos ya sabían sobre la teoría de Dirac, pero todavía no la tomaron en serio.
Anderson, después de leer el trabajo de sus colegas, publicó una segunda descripción más detallada de sus experimentos. Finalmente, bajo la presión de una gran cantidad de evidencia, el público reconoció el descubrimiento del positrón: así se llamaba la partícula predicha por Dirac. Por su descubrimiento, Anderson recibió el Premio Nobel en 1936.
Observo que hoy todos pueden observar la antimateria. Instrucciones sobre cómo completar una cámara de nube Wilson (
por ejemplo ). Solo queda agregarle un electroimán para separar las partículas con carga opuesta.
Ahora sabemos que existe la antimateria. De acuerdo con la teoría, la partícula y la antipartícula tienen la misma masa, pero cargas opuestas. Por lo general, hablan de una carga eléctrica. Pero vale la pena recordar que otras cargas cuánticas deben ser estrictamente opuestas (o ambas son iguales a cero). Es decir, si una partícula participa en una interacción nuclear fuerte, entonces la antipartícula no irá a ninguna parte, sino que participará.
Antimateria en el universo
La primera antimateria fue descubierta usando rayos cósmicos. Estos rayos en sí mismos no llegaron a la tierra, sino que generaron lluvias enteras de partículas secundarias en la atmósfera del planeta. Y eso es lo que vieron Anderson y la compañía. Es completamente lógico hacer la pregunta: ¿cuánto cuesta esta antimateria en el Universo y dónde buscarla? Como podemos ver, no existe en la Tierra, de lo contrario, se aniquilaría activamente con la materia ordinaria. ¿Está en el espacio? No es tan fácil de responder. Básicamente, observamos el espacio en rayos electromagnéticos. Es decir, los fotones vienen a nosotros. Son su propia antipartícula. Tanto el positrón como el electrón producirían exactamente el mismo fotón. Como el hidrógeno / antihidrógeno. ¿Qué pasa si todo (excepto la Tierra) está hecho de antimateria? Y luego, en una reunión, estamos esperando la destrucción completa en un destello poderoso.
En realidad, el espacio no está tan vacío. El sistema solar está lleno de asteroides, cometas y polvo. El polvo en astronomía es, por si acaso, todo lo que tiene menos de un metro de diámetro. Todo esto constantemente choca e interactúa entre sí. Si el mundo y el antimundo se encontraran en algún lugar, lo veríamos de inmediato. Echemos un vistazo más amplio: la galaxia Vía Láctea. Pero está lleno de nubes de gas, no están aisladas unas de otras. La frontera del mundo y el antimundo deberían brillar muy, muy brillantemente. Bueno, con la galaxia, ya veo. Si vas a las regiones más oscuras del Universo, al espacio entre los supercúmulos de galaxias, entonces habrá varios átomos de hidrógeno por cien metros cúbicos. Sí, esto es muy pequeño, pero la señal de aniquilación debería venir estrictamente en una frecuencia. Eventos raros ocurrirán en el Universo constantemente y una señal con una energía claramente definida no será difícil de detectar. Hasta ahora, nuestras observaciones muestran que no hay antimateria a gran escala en el Universo.
Surge una pregunta fundamental: ¿cómo se formó el dominio completo de la materia sobre la antimateria? Se pueden sugerir dos escenarios:
- Postulemos que había más sustancia en el universo desde el principio. Desde el comienzo del Big Bang.
- Inicialmente, la materia y la antimateria estaban en proporciones iguales. Entonces de alguna manera había más sustancia.
La primera forma parece muy simple. Pero no está de acuerdo con nuestra comprensión del Universo temprano. En las primeras etapas, consistía principalmente en radiación (fotones), y no tienen anti-compañeros. Es decir, no podrían crear solo partículas o antipartículas. Además, esta hipótesis no es muy elegante. Ante un problema, arreglamos artificialmente el valor deseado del parámetro modelo. La física, por el contrario, está tratando de minimizar el número de parámetros (iniciales) hechos por el hombre y maximizar la libertad de la naturaleza.
Por lo tanto, debe encontrar una forma de generar la superioridad de la materia sobre la antimateria en proporciones iniciales iguales. En primer lugar, nos preguntamos: ¿cuánta sustancia más había en el Universo temprano? Nuestras observaciones muestran que para 10,000,000,000 pares idénticos de
quark-antiquark , hubo un quark adicional. Con el tiempo, estos millones de pares se aniquilaron, y de una partícula "extra", salió toda la sustancia del Universo que podemos ver. Solo tenemos que descubrir cómo se formó exactamente una asimetría tan pequeña que sentó las bases para nuestro mundo de la materia.
Condiciones de sajarov
¿Qué necesitamos para crear tal asimetría?
1) Un proceso que cambia
. Después de todo, está claro que si damos a luz / destruimos
bariones y anti-bariones (lectura, quarks / anti-quarks) juntos, entonces no romperemos la simetría.
¿Lo piensas todo? ¡No importa cómo!
Entonces encontramos un proceso que crea más bariones que anti-bariones. ¿Champaña abierta? No Se puede encontrar fácilmente un proceso espejo que crea anti-bariones exactamente la misma cantidad más.
2a) Se necesita una distinción en los procesos para partículas y para antipartículas. Esto se llama una violación de la simetría C (cargo, cargo).
2b) También necesitamos que las leyes de la física difieran en un mundo reflejado. ¿Por qué también esto? Supongamos que tenemos diferentes leyes para partículas y para antipartículas. ¿Pero de repente se expresan en el hecho de que las antipartículas vuelan "hacia la izquierda" y las partículas "hacia la derecha"? De nuevo todo está compensado. Es necesario romper esta simetría. Esto se llama simetría P (paridad, espacial).
Hay tres simetrías fundamentales en física: C, P, T. Conociste las dos primeras, la tercera es temporal, cambiamos el flujo del tiempo a lo opuesto. Todos juntos deben ser preservados. De lo contrario
se descompone
Para organizar de alguna manera la papilla en su cabeza, que ya está completamente preparada, veamos una imagen simple que mostrará claramente qué y cómo cambia cada simetría. Digamos que tenemos un núcleo de cobalto. Es un imán pequeño o, más estrictamente, tiene un giro distinto de cero. El núcleo es radiactivo y puede emitir electrones. ¿Cómo será esta imagen si aplicamos diferentes simetrías?
C - cambia las partículas a antipartículas
P: invierte la dirección de desplazamiento, pero retiene la dirección de rotación. Después de todo, si toma una pelota volando en círculo, gire su velocidad y colóquela en el lado opuesto del círculo, continuará girando en la misma dirección. La rotación (magnetización) a menudo se identifica con precisión con la rotación, por lo tanto, no cambia cuando se refleja.
3) Todo esto debe ir acompañado de procesos tremendamente heterogéneos: algún tipo de transición de fase o expansión no homogénea.
Se observó la tercera condición en el Universo, las heterogeneidades allí eran terribles. La primera condición está más allá del alcance de este artículo ya detallado. Solo puedo decir que hay soluciones a este problema. Nos centramos en lo más interesante, en mi opinión, el párrafo número 2.
Disturbios de Quark
A primera vista, las condiciones parecen fantásticas. Después de todo, estamos casi seguros de que las partículas y las antipartículas son absolutamente simétricas. ¡Y de izquierda a derecha aún más! ¿Pero la naturaleza misma no puede, sin intervención humana, determinar dónde se deja y dónde está la derecha? Resulta que tal vez.
En 1956,
Wu realiza su famoso experimento. Todo es exactamente como en la imagen de arriba para la simetría espacial (P). Compara la cantidad de electrones que vuelan hacia arriba y hacia abajo. ¡Y resulta ser diferente! Las leyes de la física son diferentes para nuestro mundo y el del espejo.
Decir que los físicos se sorprendieron es no decir nada. La pérdida de Landau de esta simetría fue terriblemente decepcionada. Pero estaba seguro de que la simetría combinada de partículas / antipartículas y derecha / izquierda (PC) debería preservarse.
Spoiler - no. En 1964, al observar los
mesones K , se detectó una violación de la
simetría CP . Años más tarde, este efecto se descubrió para
los mesones B (2001), y
esta primavera (2019) se anunció que este efecto se descubriría para los mesones D. ¿Por qué es esto importante para diferentes partículas? Se componen de diferentes quarks. El hecho de que el efecto funcione igual para todos muestra muy bien que nuestro modelo de quark describe perfectamente la realidad.
Parece que todo lo que necesitamos para crear el Universo está listo. Pero no El efecto fue demasiado pequeño. Ni siquiera fue suficiente crear el quark extra para 10,000,000,000 pares quark-antiquark.
Cómo pueden ayudar los neutrinos
Entonces, para resolver este problema con la ayuda de los quarks falló. ¿Qué más hay en el
Modelo de Partículas Elementales
Estándar que pueda ayudar?
Leptones (electrón, muón, neutrino, etc.). : — ,
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SuperKamiokande . , .
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() Symmetry Magazine
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