Materie und Antimaterie: Was ist das, was ist der Unterschied und was hat das Neutrino damit zu tun?

Antimaterie ist eine ziemlich beliebte Sache, sowohl in der Science-Fiction als auch einfach in pseudowissenschaftlichen Debatten darüber, „wie alles wirklich arrangiert ist“. Science Fiction gab uns Sterne und ganze Planetensysteme der Antimaterie. Dan Brown brachte dieses Phänomen durch „Engel und Dämonen“ zu fast jedem.

Im Allgemeinen gibt es viele Fiktionen und Spekulationen. Der Artikel wird ein wenig in die Geschichte eintauchen: Wie fast reine Mathematik ein solches Phänomen vorhersagte, als sie versuchten, es zu „vernachlässigen“, bis Antimaterie selbst in die Detektoren flog. Dann werden wir das, was wir jetzt wissen, durchgehen und zu den größten Kopfschmerzen der Physiker kommen - warum gab es im Universum mehr Substanz als Antimaterie?



Dieser Artikel wurde in Fortsetzung eines gut-trägen Zyklus über die Neutrinophysik geschrieben: die Entdeckung von Neutrinos , Neutrinoschwingungen für Dummies, Neutrinos aus Supernovae .

Ein bisschen Geschichte

Der Beginn der Quantenmechanik

Gehen wir aus der Ferne, fast von der Entstehung des Quanten. Die Physiker konnten nicht zählen, wie der erhitzte Körper leuchtet. Die Tatsache, dass es beleuchtet ist, bestreitet niemand, der Nutzen mit bloßem Auge ist sichtbar, aber es ist unmöglich, in Zahlen zu zählen - das Integral divergiert, es stellt sich als unendlich heraus. Max Planck bietet einen einfachen Trick - nehmen wir an, dass Licht in Teilen und nicht kontinuierlich emittiert wird. Und voila - unendlich verschwindet und das Ergebnis der Berechnungen passt perfekt zum Experiment. Es ist amüsant, dass Planck sehr lange bewiesen hat, dass dies ein rein mathematischer Trick ist und es hier keine physikalische Bedeutung gibt. Einstein griff diese Idee sofort auf und schlug vor, dass Licht im Allgemeinen ausschließlich in Form separater Teile - Photonen - existiert. Und dann stritt er sich lange mit Planck und erklärte ihm, was er tatsächlich entdeckt hatte.

Dann drehten sich die Physiker um. Die Fähigkeit, Licht sowohl als Welle als auch als fliegendes Teilchen zu beschreiben, veranlasste den Vorschlag sofort, den umgekehrten Weg zu gehen - das Teilchen als Welle zu beschreiben, Welleneigenschaften dafür zu berechnen: Länge, Frequenz. Die experimentelle Bestätigung ließ nicht lange auf sich warten, und 1927 konnte die Interferenz von Elektronen, die durch zwei Schlitze hindurchgingen, nachgewiesen werden - ein reiner Welleneffekt!

Im Anschluss an diese Ideen entscheidet Schrödinger , wie Partikel mithilfe der Wellengleichung beschrieben werden. Wir werden nicht tief in die Mathematik eintauchen, wir werden nur sagen, dass diese Gleichung es uns ermöglichte, die Welleneigenschaften eines Teilchens für gegebene Bedingungen zu berechnen: die Wahrscheinlichkeit, es an einem bestimmten Ort zu finden, die Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte Geschwindigkeit zu haben usw. In jenen Tagen beschrieben sie das Phänomen der Welle-Teilchen-Dualität .

Antimaterie betritt die Szene

20 Jahre zuvor formulierte Einstein seine spezielle Relativitätstheorie . Im Zusammenhang mit unserem Artikel ist die Verbindung, die er zwischen Masse, Energie und Impuls hergestellt hat, äußerst wichtig. Die meisten Menschen werden sich an diesen berühmten Ausdruck für ein Partikel in Ruhe erinnern. $$$E = mc ^ 2$. Es ist einfach, schön, aber leider nicht auf sich bewegende Partikel anwendbar. Für sie muss man auch die Dynamik berücksichtigen (p):

$$

$$E ^ 2 = p ^ 2c ^ 2 + m ^ 2c ^ 4$$

Und hier gibt es viele Probleme! Sie werden zur Entdeckung der Antimaterie führen!

Die Schrödinger-Gleichung funktionierte gut für nicht so schnelle Teilchen. In solchen Fällen blieben die Gleichungen der Newtonschen Mechanik, die jedem aus der Schule bekannt waren, wahr. Aber wir sind von vielen sehr schnellen Teilchen umgeben, und für sie müssen wir die obige Gleichung verwenden, die Energie, Impuls und Masse verbindet. Das Problem bestand darin, die Wurzel für das Finden von Energie zu extrahieren. Paul Dirac fand 1930 einen schwierigen Weg, dies mithilfe von Matrizen zu tun, und verallgemeinerte die Schrödinger-Gleichung auf energiereiche Teilchen.

Dann stieß er auf eine bekannte Klasse mit dem 7. Problem: Das Extrahieren der Wurzel ergibt zwei Lösungen. Denken Sie daran, dass Sie bei der Lösung von Problemen in der Schule manchmal negative Entscheidungen treffen? Normalerweise schreiben sie „hat keine physikalische Bedeutung“ und schreiben sorgfältig eine positive Entscheidung auf. Wenn Sie beispielsweise zählen, wenn sich fahrende Autos treffen, erhalten Sie Antworten: -1 Stunde und 3 Stunden, die erste wurde immer verworfen. Es ist nicht ohne Bedeutung, vor einer Stunde waren die Autos wirklich an einem Punkt, aber die Frage zu beantworten: "Wann werden sie sich in Zukunft treffen?", Ist nicht gut.

Dirac, der die Bewegung eines Elektrons berechnete, erhielt Lösungen mit negativer Energie. Die erste Idee war, diese Antwort als "ohne physikalische Bedeutung" zu verwerfen. Aber wie bei Maschinen sollte diese Entscheidung noch einen Sinn haben!

Wenn wir die Existenz solcher Zustände mit negativer Energie (und einer positiven Ladung) zulassen, wird es in der Physik ein völliges Chaos geben. Schauen wir uns ein Beispiel für ein einfaches Bild an:



Hier ist die vertikale Energie die Teilchenenergie. Auf einem gelben Hintergrund befinden sich gewöhnliche Elektronen mit positiver Energie und negativer Ladung. Je mehr Energie, desto schneller - alles ist intuitiv klar. Aber unten ... Eine riesige blaue exotische Gegend. Wenn dort die Energie abnimmt, mit anderen Worten tiefer ins Minus geht, steigt die Geschwindigkeit. Wie ist das ?!

Weiter schlimmer. Schließlich neigt jedes System zu einem Minimum an Energie, der Ball befindet sich immer am Boden der Grube. Absolut alle Elektronen neigen dazu, auf den Grund zu fallen und ohne Unterbrechung zu beschleunigen ... Im Allgemeinen wird es kein Elektron auf der Welt geben.

Dirac, der in die Schönheit der Mathematik verliebt war, bestand darauf, dass die Lösung Sinn machen sollte. Dafür wurde er wiederholt kritisiert. Trotz der physikalischen Bedeutung wurde er blind für Mathematik erklärt. Es genügt übrigens, Heisenberg, einen engen Freund von Dirac, zu zitieren:

Das traurigste Kapitel der modernen Physik ist und bleibt die Dirac-Theorie ...
Ich betrachte es einfach als Müll, den niemand ernst nehmen kann.

Aber Dirac rettete weiterhin seine Theorie und gleichzeitig die gesamte Physik. Er schlug vor, dass diese blaue Region bereits mit Elektronen gefüllt ist und deshalb nicht von oben dorthin fällt - es gibt keinen Platz (erinnern Sie sich an das Pauli-Prinzip ?). Es ist nur so, dass die Vakuumeigenschaft so ist, dass der gesamte blaue Bereich ausgefüllt wird. Eine solche gefüllte Partikelschicht wird als "Meer von Dirac" bezeichnet. Hier ist es interessant, zwei Fälle zu betrachten:

1. Sie können ein Elektron im blauen Bereich beispielsweise mit einem Photon treten. Er wird viel Energie erhalten und in die gelbe Zone springen. Jetzt haben wir ein Elektron (mit positiver Energie - alles ist in Ordnung) und ein Loch (kein Elektron) in der blauen Zone, das sich wie ein positives Teilchen verhält.
2. Ein negativ geladenes Elektron wird natürlich von einem positiven Loch angezogen und kann sogar hineinfallen. Dann hört das Elektron auf zu existieren und das Loch füllt sich.

Die Frage bleibt - womit kann man ein Loch in der Welt um uns herum identifizieren? Dirac schlug ein Proton vor. Worauf Oppenheimer zu Recht bemerkte, dass dies die Existenz eines Wasserstoffatoms gefährdete - weil sich dann ein Proton und ein Elektron treffen und verschwinden könnten.

Experimentelle Entdeckung

Wir kommen also zur experimentellen Suche nach einem Kandidaten für die Rolle eines „Lochs“ in der Diracsee. Wir wissen, dass es positiv geladen sein und ungefähr die gleiche Masse wie das Elektron haben muss.

Es wird angenommen, dass die ersten seltsamen Partikel von Dmitry Skobeltsyn in den 20er Jahren beobachtet wurden. Es gelang ihm, Spuren im Detektor zu bemerken, die wie ein Elektron aussahen, aber eine positive Ladung hatten. Er konnte einen solchen Effekt nicht erklären und der Artikel wurde nicht veröffentlicht.

Nach Skobeltsyn betreten Doktoranden des Nobelpreisträgers Robert Milliken die historische Szene (Auszeichnung für Arbeiten zum photoelektrischen Effekt und zur Messung der Ladung eines Elektrons). Einer von ihnen, Chung-Yao Chao, beobachtete den Durchgang von Photonen durch Bleifolie. Und auch ungewöhnliche Partikel gefunden. Aber weder sein Führer noch die wissenschaftliche Gemeinschaft glaubten den Ergebnissen, und sie erhielten keine Anerkennung. Der zweite Doktorand, Karl Anderson , übrigens ein Freund von Chao, beobachtete die Photonen der kosmischen Strahlung in Wilsons Kammer . Sein Anführer erwartete zu sehen, wie sie Atome in Protonen und Elektronen aufspalten würden. Die Partikel in der Kammer flogen hauptsächlich von oben nach unten. Und wieder wurden unter ihnen „Elektronen“ entdeckt, die die andere Seite in einem Magnetfeld ablenken - das heißt positiv geladen. Zuerst dachte Anderson, dass dies gewöhnliche Elektronen waren, die aber von unten nach oben flogen. Er fügte dem Experiment eine Bleiplatte hinzu, um sicherzustellen, dass die Partikel genau von oben ankamen. Aber hier glaubte Milliken seinem Doktoranden nicht. Anderson veröffentlichte nach langen erfolglosen Versuchen, den Chef zu überzeugen, dennoch seine Arbeit. Es sollte angemerkt werden, dass weder Anderson noch Millikan höchstwahrscheinlich von Diracs Theorie wussten. Niemand hatte die Idee, ungewöhnliche Partikel mit „Löchern“ im „Meer von Dirac“ zu identifizieren.

Der nächste Schritt wurde in Cambridge Blackett und Occialini gemacht. Es gelang ihnen, eine ausreichend große Anzahl von Spuren lichtpositiver Partikel zu fotografieren. Sie wussten bereits von Diracs Theorie, nahmen sie aber immer noch nicht ernst.

Nachdem Anderson die Arbeit seiner Kollegen gelesen hatte, veröffentlichte er eine zweite, detailliertere Beschreibung seiner Experimente. Schließlich erkannte die Öffentlichkeit unter dem Druck einer Vielzahl von Beweisen die Entdeckung des Positrons - so wurde das von Dirac vorhergesagte Teilchen genannt. Für seine Entdeckung erhielt Anderson 1936 den Nobelpreis.

Ich stelle fest, dass heute jeder Antimaterie beobachten kann. Anweisungen zum Vervollständigen einer Wilson-Cloud-Kamera ( zum Beispiel ). Es bleibt nur ein Elektromagnet hinzuzufügen, um die entgegengesetzt geladenen Teilchen abzutrennen.

Jetzt wissen wir, dass Antimaterie existiert. In klarer Übereinstimmung mit der Theorie haben das Teilchen und das Antiteilchen die gleiche Masse, aber entgegengesetzte Ladungen. Normalerweise sprechen sie von einer elektrischen Ladung. Es sei jedoch daran erinnert, dass andere Quantenladungen genau entgegengesetzt sein müssen (oder beide gleich Null sind). Das heißt, wenn ein Teilchen an einer starken nuklearen Wechselwirkung teilnimmt, wird das Antiteilchen nirgendwo hingehen - es wird teilnehmen.

Antimaterie im Universum

Die erste Antimaterie wurde mit kosmischen Strahlen entdeckt. Diese Strahlen selbst erreichten die Erde nicht, sondern erzeugten ganze Schauer von Sekundärteilchen in der Atmosphäre des Planeten. Und genau das haben Anderson und das Unternehmen gesehen. Es ist völlig logisch, die Frage zu stellen: Wie viel von dieser Antimaterie befindet sich im Universum und wo muss man danach suchen? Wie wir sehen können, existiert es nicht auf der Erde, sonst würde es sich aktiv mit gewöhnlicher Materie vernichten. Ist es im Weltraum? Es ist nicht so einfach zu beantworten. Grundsätzlich beobachten wir den Raum in elektromagnetischen Strahlen. Das heißt, Photonen kommen zu uns. Sie sind ihre eigenen Antiteilchen. Sowohl das Positron als auch das Elektron würden genau das gleiche Photon erzeugen. Wie Wasserstoff / Antiwasserstoff. Was ist, wenn alles (außer der Erde) aus Antimaterie besteht? Und dann warten wir bei einem Treffen blitzschnell auf die vollständige Zerstörung.
In Wirklichkeit ist der Raum nicht so leer. Das Sonnensystem ist voller Asteroiden, Kometen und Staub. Staub in der Astronomie ist für alle Fälle alles, was einen Durchmesser von weniger als einem Meter hat. All dies kollidiert ständig und interagiert miteinander. Wenn sich die Welt und die Anti-Welt irgendwo treffen würden, würden wir es sofort sehen. Schauen wir weiter - die Milchstraße. Aber es ist voller Gaswolken, sie sind nicht voneinander isoliert. Die Grenze der Welt und der Anti-Welt sollte sehr, sehr hell leuchten. Nun, mit der Galaxie verstehe ich. Wenn Sie in die dunkelsten Regionen des Universums gehen - in den Raum zwischen den Superclustern der Galaxien, dann gibt es mehrere Wasserstoffatome pro hundert Kubikmeter. Ja, das ist sehr klein, aber das Signal von der Vernichtung sollte streng auf einer Frequenz kommen. Seltene Ereignisse werden im Universum ständig auftreten und ein Signal mit einer klar definierten Energie wird nicht schwer zu erkennen sein. Bisher zeigen unsere Beobachtungen, dass es im Universum keine Antimaterie in großem Maßstab gibt.

Es stellt sich eine grundsätzliche Frage: Wie hat sich die vollständige Herrschaft der Materie über die Antimaterie gebildet? Es können zwei Szenarien vorgeschlagen werden:

1. Lassen Sie uns postulieren, dass es von Anfang an mehr Substanz im Universum gab. Vom Beginn des Urknalls an.
2. Materie und Antimaterie waren anfangs zu gleichen Teilen vorhanden. Dann gab es irgendwie mehr Substanz.

Der erste Weg scheint sehr einfach zu sein. Aber es stimmt nicht gut mit unserem Verständnis des frühen Universums überein. In den frühen Stadien bestand es hauptsächlich aus Strahlung (Photonen) und sie haben keine Anti-Partner. Das heißt, sie konnten nicht nur Partikel oder Antiteilchen erzeugen. Darüber hinaus ist diese Hypothese nicht sehr elegant. Bei einem Problem fixieren wir künstlich den gewünschten Wert des Modellparameters. Im Gegensatz dazu versucht die Physik, die Anzahl der vom Menschen geschaffenen (Anfangs-) Parameter zu minimieren und die Freiheit der Natur zu maximieren.

Sie müssen also einen Weg finden, wie Sie die Überlegenheit der Materie gegenüber der Antimaterie in gleichen Anfangsanteilen erzeugen können. Zunächst fragen wir uns: Wie viel mehr Substanz war im frühen Universum? Unsere Beobachtungen zeigen, dass es für 10.000.000.000 identische Quark-Antiquark- Paare einen zusätzlichen Quark gab. Im Laufe der Zeit vernichteten diese Millionen von Paaren und aus einem "zusätzlichen" Teilchen kam die gesamte Substanz des Universums heraus, die wir sehen können. Wir müssen nur herausfinden, wie genau eine so kleine Asymmetrie entstanden ist, die den Grundstein für unsere Welt der Materie gelegt hat.

Sacharows Bedingungen

Was brauchen wir, um eine solche Asymmetrie zu schaffen?

1) Ein Prozess, der sich ändert $$$N_ {Baryonen} -N_ {Anti-Baryonen}$. Schließlich ist es klar, dass wir die Symmetrie nicht brechen werden, wenn wir Baryonen und Anti-Baryonen (lesen, Quarks / Anti-Quarks) zusammen gebären / zerstören.

Denkst du alles? Egal wie!
Wir haben also einen Prozess gefunden, der mehr Baryonen als Anti-Baryonen erzeugt. Champagner öffnen? Nein. Es kann leicht ein Spiegelprozess gefunden werden, der Anti-Baryonen genau in der gleichen Menge mehr erzeugt.

2a) Bei den Verfahren für Partikel und für Antiteilchen ist eine Unterscheidung erforderlich. Dies wird als Verletzung der C-Symmetrie (Ladung, Ladung) bezeichnet.

2b) Wir brauchen auch die Gesetze der Physik, um uns in einer gespiegelten Welt zu unterscheiden. Warum auch das? Angenommen, wir haben unterschiedliche Gesetze für Partikel und für Antiteilchen. Aber plötzlich drücken sie sich darin aus, dass Antiteilchen "nach links" und Teilchen "nach rechts" herausfliegen? Wieder wird alles kompensiert. Es ist notwendig, diese Symmetrie zu brechen. Dies nennt man P-Symmetrie (Parität, räumlich).

In der Physik gibt es drei grundlegende Symmetrien - C, P, T. Sie haben die ersten beiden getroffen, die dritte ist vorübergehend, wir ändern den Zeitfluss in die entgegengesetzte Richtung. Alles in allem müssen sie erhalten bleiben. Ansonsten $$$E = mc ^ 2$bricht zusammen.

Um den bereits vollständig gebrauten Brei in Ihrem Kopf irgendwie anzuordnen, schauen wir uns ein einfaches Bild an, das deutlich zeigt, was und wie sich jede Symmetrie ändert. Nehmen wir an, wir haben einen Kobaltkern. Es ist ein kleiner Magnet oder hat, genauer gesagt, einen Spin ungleich Null. Der Kern ist radioaktiv und kann Elektronen emittieren. Wie wird dieses Bild aussehen, wenn wir unterschiedliche Symmetrien anwenden?



C - wandelt Partikel in Antiteilchen um
P - kehrt die Fahrtrichtung um, behält jedoch die Drehrichtung bei. Wenn Sie einen Ball nehmen, der in einem Kreis fliegt, seine Geschwindigkeit drehen und ihn auf der gegenüberliegenden Seite des Kreises platzieren, dreht er sich weiter in die gleiche Richtung. Spin (Magnetisierung) wird oft genau mit Rotation identifiziert, daher ändert er sich beim Spiegeln nicht.

3) All dies muss von wild heterogenen Prozessen begleitet sein: einer Art Phasenübergang oder inhomogener Expansion.

Der dritte Zustand im Universum wurde beobachtet, die Heterogenitäten dort waren schrecklich. Die erste Bedingung geht über den Rahmen dieses bereits ausführlichen Artikels hinaus. Ich kann nur sagen, dass es Lösungen für dieses Problem gibt. Wir konzentrieren uns auf den meiner Meinung nach interessantesten Absatz 2.

Quarkstörungen

Auf den ersten Blick scheinen die Bedingungen fantastisch. Schließlich sind wir uns fast sicher, dass Partikel und Antiteilchen absolut symmetrisch sind. Und umso mehr von links nach rechts! Aber die Natur selbst kann ohne menschliches Eingreifen nicht bestimmen, wo sie bleibt und wo sie richtig ist. Es stellt sich vielleicht heraus.
1956 führt Wu sein berühmtes Experiment durch. Für die räumliche (P) Symmetrie ist alles genau wie im obigen Bild. Es vergleicht die Anzahl der Elektronen, die auf und ab fliegen. Und es stellt sich heraus, dass es anders ist! Die Gesetze der Physik sind für unsere und die Spiegelwelt unterschiedlich.
Zu sagen, dass die Physiker überrascht waren, bedeutet nichts zu sagen. Landaus Verlust dieser Symmetrie war schrecklich enttäuscht. Er war sich jedoch sicher, dass die kombinierte Symmetrie von Partikeln / Antiteilchen und Rechts / Links (CP) erhalten bleiben sollte.

Spoiler - nein. Bei der Beobachtung von K-Mesonen im Jahr 1964 wurde eine Verletzung der CP-Symmetrie festgestellt. Jahre später wurde dieser Effekt für B-Mesonen (2001) entdeckt, und in diesem Frühjahr (2019) wurde angekündigt, dass dieser Effekt für D-Mesonen entdeckt werden würde. Warum ist das für verschiedene Partikel wichtig? Sie bestehen aus verschiedenen Quarks. Die Tatsache, dass der Effekt für alle gleich ist, zeigt sehr gut, dass unser Quarkmodell die Realität perfekt beschreibt.

Es scheint, dass alles, was wir brauchen, um das Universum zu erschaffen, bereit ist. Aber nein. Der Effekt war zu gering. Es reichte nicht einmal aus, nur einen zusätzlichen Quark für 10.000.000.000 Quark-Antiquark-Paare zu erstellen.

Wie Neutrinos helfen können

Das Problem mit Hilfe von Quarks zu lösen, schlug also fehl. Was kann das Standard- Elementarteilchenmodell noch helfen?



Leptonen (Elektron, Myon, Neutrino usw.).Ein so interessanter Effekt ist für sie zu beobachten: Sie können ihre Sorten im Kreis ändern - sich ineinander verwandeln, dieser Vorgang nennt man Neutrinoschwingungen . Und genau in diesem Prozess kann man die für die CP- Physik so notwendige Verletzung finden , die viel stärker sein kann als für Quarks.

Es gibt weltweit genug Experimente, um diesen Effekt zu untersuchen. Um jedoch den Unterschied zwischen den Eigenschaften von Neutrinos und Antineutrinos zu messen, müssen beide Arten von Partikeln unter identischen Bedingungen beobachtet werden. Darüber hinaus sind umfangreiche Statistiken erforderlich, da der Effekt voraussichtlich äußerst gering ist. Normalerweise reagiert die Natur nicht so empfindlich auf den Unterschied zwischen Partikeln und Antiteilchen. Derzeit sind nur Beschleunigerexperimente in der Lage, Neutrinoschwingungen beim Fliegen von Hunderten von Kilometern zu messen. Schauen wir uns an, was es ist und wie es implementiert wird.

Beschleunigerexperimente mit Neutrinos

In den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts war es erstmals möglich, mit Beschleunigern eine große Anzahl von Neutrinos herzustellen. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wurde diese Technologie zur Untersuchung von Neutrinoschwingungen eingesetzt. Das Schema zur Erzeugung eines intensiven Neutrinostrahls ist recht einfach: Der Protonenstrahl wird auf ein Graphittarget gerichtet, wo er mit Kohlenstoffatomen kollidiert. Bei diesen Kollisionen fliegen eine große Anzahl von Mesonen (Quark-Antiquark-Paare) aus . Dies sind geladene instabile Teilchen. Bis sie zerfallen, werden sie mit einem Magnetfeld fokussiert, um einen intensiven Strahl zu erzeugen, der streng auf den Detektor gerichtet ist. Und dann zerfallen sie in Neutrinos, und jetzt fliegen eine große Anzahl von Neutrinos streng in den Detektor.


Eines der weltweit führenden Experimente in diesem Bereich ist das in Japan gebaute T2K (Tokai-to-Kamioka).



Neutrinos werden an der Ostküste Japans mit einem Protonenbeschleuniger hergestellt. Dann fliegen sie 300 Kilometer in die Dicke der Erde und fallen in einen entfernten Detektor - ein 50-Kilotonnen-Fass SuperKamiokande-Wasser. Auf ihrem Weg können sie ihren Typ ändern: Sie verwandeln sich von Myonenneutrinos in elektronische. Kürzlich wurden Hinweise erhalten, dass sich Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich verhalten. Sie verletzen nämlich genau die CP-Symmetrie.
Vielleicht ist dies ein wesentlicher Bestandteil des Mechanismus, der es unserem Universum ermöglichte, sich fast ausschließlich aus Materie zu bilden.


Foto in SuperKamiokande während der Arbeit im letzten Jahr. In der Nähe der gegenüberliegenden Wand sind Menschen im Boot zu sehen, und links arbeitet auch ein Mann am Floß.

Derzeit sind weltweit zwei beschleunigende Neutrino-Detektoren T2K in Japan und NOvA in den USA in Betrieb. In den nächsten zehn Jahren sind Experimente mit einer neuen Generation von HyperKamiokande in Japan und DUNE in den USA geplant. Die erste wird eine deutlich verbesserte Version von SuperKamiokande sein. Ein Wasserfass wird fünfmal größer, lichtempfindliche Elemente werden genauer - all dies lässt uns auf eine endgültige Lösung des Problems mit einem Unterschied im Verhalten von Neutrinos und Antineutrinos hoffen.

Sollten sich Partikel von Antiteilchen unterscheiden?

Wenn man über den Unterschied zwischen Partikeln und Antiteilchen spricht, kann man ein weiteres interessantes Merkmal von Neutrinos nicht übersehen. Von Anfang an haben wir gemeint, dass sich beispielsweise Quark und Antiquark voneinander unterscheiden. Das heißt, sie sind verschiedene Partikel. Bei geladenen Teilchen ist dies immer der Fall, da ihr Partner die entgegengesetzte Ladung haben muss. Offensichtlich müssen sie unterschiedlich sein.

Mit neutralen Partikeln ist alles komplizierter. Plötzlich können sie gleichzeitig Partikel und Antiteilchen sein? Ja, das können sie! Der italienische Physiker Ettorio Majorana hat gezeigt, dass diese beiden Zustände für Neutrinos zusammenfallen können. Das Neutrino ist insofern einzigartig, als weder Quarks noch geladene Leptonen (z. B. Elektron / Myon) diese Eigenschaft haben können.

Vielleicht erinnert sich ein kluger Leser an ein Neutron - ein neutrales Teilchen, das zusammen mit einem Proton Atomkerne bildet. Aber nein, das Neutron ist ein integrales Teilchen. Es besteht aus Quarks, was bedeutet, dass das Antineutron aus Antiquaren bestehen sollte. Da Quarks eine Ladung haben, müssen sich ihre Antipartner von den ursprünglichen Partikeln unterscheiden.

Das Neutrino ist in dieser Hinsicht ein einzigartiges Teilchen. Und welchen Nutzen können wir daraus ziehen? Stellen Sie sich ein Neutrino vor, das im normalen Beta-Zerfall geboren wurde. Es wird ein Anti-Neutrino sein. Zusammen damit fliegt ein Elektron aus dem Kern. Dieses Anti-Neutrino kann jedoch nicht als Antiteilchen, sondern als Teilchen interagieren, weil sie gleich sein können. Das Ergebnis ist ein weiteres Elektron.

Als Ergebnis: Aus dem Nichts haben wir zwei Elektronen. Kein Positron, nämlich ein Elektron! Hier ist ein Beispiel, wie Sie eine Substanz gegenüber Antimaterie nutzen können. Eine aktive Suche nach einem Analogon eines solchen Prozesses ist im Gange. Es heißt neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall . Unglaublich empfindliche Installationen ( eine , zwei , drei usw.) stehen tief unter der Erde, um vor eindringenden Strahlen zu schützen, oft in einer sehr sauberen Umgebung. Sie versuchen, mindestens ein solches Ereignis zu registrieren, das zur Geburt von zwei Elektronen aus zwei Neutronen führen wird. Die Entdeckung eines solchen Effekts wird es ermöglichen, eindeutig anzuzeigen, dass Neutrinos und Antineutrinos identische Partikel sind. Bisher wurden jedoch keine derartigen Ereignisse gefunden, und die Suche wird fortgesetzt.



In den kommenden Jahren können wir interessante Entdeckungen in der Neutrinophysik erwarten, die das Problem der Dominanz der Materie im Universum beleuchten können.

Bleib dran!


(c) Symmetry Magazine


Ich möchte meinen Kollegen und der CERNach- Community für ihre Hilfe bei der Arbeit an diesem Artikel danken . Ich erinnere Sie daran, dass Sie in CERNach die neuesten Nachrichten zur Teilchenphysik und in jüngerer Zeit Streams vom CERN selbst finden.