Matière et antimatière: qu'est-ce que c'est, quelle est la différence et qu'est-ce que le neutrino a à voir avec ça

L'antimatière est une chose assez populaire, à la fois dans la science-fiction et simplement dans les disputes pseudoscientifiques sur «comment tout fonctionne vraiment». La science-fiction nous a donné des étoiles et des systèmes planétaires entiers d'antimatière. Dan Brown, à travers "Angels and Demons", a apporté ce phénomène à presque tout le monde.

En général, la fiction et la spéculation abondent. Dans l'article, nous plongerons un peu dans l'histoire: comment les mathématiques presque pures ont prédit un tel phénomène en essayant de le «négliger», jusqu'à ce que l'antimatière se propage dans les détecteurs. Ensuite, nous passerons en revue ce que nous savons maintenant et arriverons au plus grand mal de tête des physiciens - pourquoi y avait-il plus de substance dans l'univers que d'antimatière?



Cet article a été écrit dans le prolongement d'un cycle bien lent sur la physique des neutrinos: la découverte des neutrinos , les oscillations des neutrinos pour les nuls, les neutrinos des supernovae .

Un peu d'histoire

Le début de la mécanique quantique

Allons de loin, presque depuis la création même du quantumme. Les physiciens n'ont pas réussi à compter comment le corps chauffé brille. Personne ne prétend qu'il brille, le bénéfice est visible à l'œil nu, mais il est impossible de compter en nombre - l'intégrale diverge, il s'avère l'infini. Max Planck propose une astuce simple - supposons que la lumière est émise par portions, et non en continu. Et le tour est joué - l'infini disparaît et le résultat des calculs correspond parfaitement à l'expérience. Il est amusant que Planck ait prouvé pendant très longtemps qu'il s'agit d'une astuce purement mathématique, et qu'il n'y a aucune signification physique ici. Einstein a immédiatement repris cette idée et a suggéré que la lumière en général existe exclusivement sous la forme de portions séparées - les photons . Et puis il s'est longtemps disputé avec Planck et lui a expliqué ce qu'il avait réellement découvert.

Puis les physiciens se sont retournés. La capacité de décrire la lumière à la fois comme une onde et comme une particule volante a immédiatement incité la proposition à aller dans le sens opposé - pour décrire la particule comme une onde, pour calculer les caractéristiques de l'onde: longueur, fréquence. La confirmation expérimentale ne tarda pas à venir, et en 1927 il fut possible de démontrer l' interférence des électrons traversant deux fentes - un effet purement ondulatoire!

À la suite de ces idées, Schrödinger décide comment décrire les particules en utilisant l'équation d'onde. Nous n'allons pas plonger profondément dans les mathématiques, nous dirons seulement que cette équation nous a permis de calculer les caractéristiques d'onde d'une particule pour des conditions données: la probabilité de la trouver à un endroit particulier, la probabilité d'avoir une certaine vitesse, etc. Ils décrivaient donc à l'époque le phénomène de la dualité onde-particule .

L'antimatière entre en scène

20 ans avant cela, Einstein a formulé sa théorie spéciale de la relativité . Dans le contexte de notre article, le lien qu'il a établi entre la masse, l'énergie et l'élan est extrêmement important. La plupart des gens se souviendront de cette expression célèbre pour une particule au repos. $$$E = mc ^ 2$ . C'est simple, beau, mais, malheureusement, ne s'applique pas aux particules en mouvement. Pour eux, il faut également prendre en compte la dynamique (p):

$$

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

Et ici se trouve beaucoup de problèmes! Ils conduiront à la découverte de l'antimatière!

L'équation de Schrödinger a bien fonctionné pour les particules moins rapides. Dans de tels cas, les équations de la mécanique newtonienne familières à tout le monde de l'école sont restées vraies. Mais nous sommes entourés de beaucoup de particules très rapides, et pour elles, nous devons utiliser l'équation ci-dessus, reliant l'énergie, la quantité de mouvement et la masse. Le problème était d'extraire la racine pour trouver de l'énergie. Paul Dirac en 1930 a trouvé une manière délicate de le faire en utilisant des matrices et a généralisé l'équation de Schrödinger aux particules de haute énergie.

Puis il est tombé sur une classe bien connue avec le 7ème problème: extraire la racine donne deux solutions. Rappelez-vous, lorsque vous résolvez des problèmes à l'école, parfois vous obtenez des décisions négatives? Habituellement, ils écrivent «n'a pas de sens physique» et écrivent soigneusement une décision positive. Par exemple, en comptant lorsque les voitures en mouvement se rencontrent, vous obtenez des réponses: -1 heure et 3 heures, la première a toujours été jetée. Ce n'est pas sans signification, il y a une heure, les voitures étaient vraiment à un moment donné, mais pour répondre à la question: «Quand se rencontreront-elles à l'avenir?», N'est-ce pas bon.

Ainsi, Dirac, calculant le mouvement d'un électron, a reçu des solutions à énergie négative. La première idée était de rejeter cette réponse comme «n'ayant pas de sens physique». Mais, comme dans le cas des machines, il devrait toujours y avoir un certain sens derrière cette décision!

Si nous permettons l'existence de tels états avec une énergie négative (et une charge positive), alors en physique il y aura un chaos complet. Regardons un exemple d'image simple:



Ici, l'énergie verticale est l'énergie des particules. Sur un fond jaune se trouvent des électrons ordinaires avec une énergie positive et une charge négative. Plus il y a d'énergie, plus la vitesse est grande - tout est intuitivement clair. Mais en bas ... Une immense zone exotique bleue. Là, si l'énergie diminue, en d'autres termes, va plus loin dans le moins, alors la vitesse augmente. Comment ça?!

Pire encore. Après tout, tout système tend à un minimum d'énergie, la balle aura toujours tendance à être au fond de la fosse. Donc, absolument tous les électrons auront tendance à tomber au fond, accélérant sans arrêt ... En général, il n'y aura pas d'électrons dans le monde.

Dirac, amoureux de la beauté des mathématiques, a insisté pour que la solution ait du sens. Pour cela, il a été critiqué à plusieurs reprises. Il a été déclaré aveuglément en suivant les mathématiques, malgré sa signification physique. Il suffit de citer Heisenberg, soit dit en passant, un ami proche de Dirac:

Le chapitre le plus triste de la physique moderne est et reste la théorie de Dirac ...
Je considère cela comme des ordures, que personne ne peut prendre au sérieux.

Mais Dirac a continué à sauver sa théorie, et en même temps toute la physique. Il a suggéré que cette région bleue est déjà remplie d'électrons, et c'est pourquoi ils n'y tombent pas d'en haut - il n'y a pas de place (rappelez - vous le principe de Pauli ?). C'est juste que la propriété de vide est telle que toute la zone bleue est remplie. Une telle couche remplie de particules s'appelle la «mer de Dirac». Ici, il est intéressant de considérer deux cas:

1. Vous pouvez lancer un électron dans la région bleue, par exemple, avec un photon. Il recevra beaucoup d'énergie et sautera dans la zone jaune. Maintenant, nous aurons un électron (avec une énergie positive - tout est en ordre) et un trou (manque d'électron) dans la zone bleue, qui se comportera comme une particule positive.
2. Un électron chargé négativement sera naturellement attiré vers un trou positif et pourrait même y tomber. Ensuite, l'électron cessera d'exister et le trou se remplira.

La question demeure - avec quoi identifier un trou dans le monde qui nous entoure? Dirac a proposé un proton. Oppenheimer a fait remarquer à juste titre que cela mettait en danger l'existence d'un atome d'hydrogène - car un proton et un électron pourraient alors se rencontrer et disparaître.

Découverte expérimentale

Nous arrivons donc à la recherche expérimentale d'un candidat pour le rôle d'un «trou» dans la mer de Dirac. Nous savons qu'il doit être chargé positivement et approximativement égal en masse à l'électron.

On suppose que les premières particules étranges ont été observées par Dmitry Skobeltsyn dans les années 20. Il a réussi à remarquer des traces dans le détecteur qui ressemblaient à un électron, mais avec une charge positive. Il n'a pas pu expliquer un tel effet et l'article n'a pas été publié.

Après Skobeltsyn, les étudiants diplômés du lauréat du prix Nobel Robert Milliken (un prix pour des travaux sur l'effet photoélectrique et la mesure de la charge d'un électron) entrent dans la scène historique. L'un d'eux, Chung-Yao Chao, a observé le passage de photons à travers une feuille de plomb. Et aussi trouvé des particules inhabituelles. Mais ni son leader, ni la communauté scientifique ne croyaient aux résultats, et ils n'ont pas été reconnus. Le deuxième étudiant diplômé, Karl Anderson , soit dit en passant, un ami de Chao, a observé les photons des rayons cosmiques dans la chambre de Wilson . Son chef s'attendait à voir comment ils diviseraient les atomes en protons et électrons. Les particules dans la chambre ont volé principalement de haut en bas. Et encore une fois, des «électrons» ont été découverts parmi eux, déviant l'autre côté dans un champ magnétique - c'est-à-dire chargé positivement. Anderson a d'abord pensé qu'il s'agissait d'électrons ordinaires, mais volant de bas en haut. Il a ajouté une plaque de plomb à l'expérience pour s'assurer que les particules arrivaient précisément d'en haut. Mais ici, Milliken ne croyait pas son étudiant diplômé. Anderson, après de longues tentatives infructueuses pour convaincre le patron, a néanmoins publié son travail. Il convient de noter que ni Anderson ni Millikan ne connaissaient probablement la théorie de Dirac. Personne n'a eu l'idée d'identifier des particules inhabituelles avec des «trous» dans la «mer de Dirac».

La prochaine étape a été franchie à Cambridge Blackett et Occialini. Ils ont réussi à photographier un nombre suffisamment important de traces de particules positives à la lumière. Ils connaissaient déjà la théorie de Dirac, mais ne la prenaient toujours pas au sérieux.

Anderson, après avoir lu les travaux de ses collègues, a publié une deuxième description plus détaillée de ses expériences. Enfin, sous la pression d'un grand nombre de preuves, le public a reconnu la découverte du positron - c'est ainsi que la particule prédite par Dirac a été appelée. Pour sa découverte, Anderson a reçu le prix Nobel en 1936.

Je note qu'aujourd'hui tout le monde peut observer l'antimatière. Instructions sur la façon de compléter une caméra cloud Wilson ( par exemple ). Il ne reste plus qu'à y ajouter un électroaimant pour séparer les particules de charges opposées.

Nous savons maintenant que l'antimatière existe. En accord clair avec la théorie, la particule et l'antiparticule ont la même masse, mais des charges opposées. Habituellement, ils parlent d'une charge électrique. Mais il convient de rappeler que les autres charges quantiques doivent être strictement opposées (ou les deux sont égales à zéro). Autrement dit, si une particule participe à une forte interaction nucléaire, alors l'antiparticule n'ira nulle part - elle participera.

L'antimatière dans l'univers

La première antimatière a été découverte à l'aide de rayons cosmiques. Ces rayons eux-mêmes n'ont pas atteint la terre, mais ont généré des averses entières de particules secondaires dans l'atmosphère de la planète. Et c'est ce qu'Anderson et la société ont vu. Il est tout à fait logique de poser la question - quelle quantité de cette antimatière se trouve dans l'Univers et où la chercher? Comme nous pouvons le voir, il n'existe pas sur Terre, sinon il s'anéantirait activement avec la matière ordinaire. Est-ce dans l'espace? Ce n'est pas si facile de répondre. Fondamentalement, nous observons l'espace dans les rayons électromagnétiques. Autrement dit, les photons viennent à nous. Ils sont leur propre antiparticule. Le positron et l'électron produiraient exactement le même photon. Comme l'hydrogène / antihydrogène. Et si tout (sauf la Terre) est fait d'antimatière? Et puis lors d'une réunion, nous attendons une destruction complète dans un flash puissant.
En réalité, l'espace n'est pas si vide. Le système solaire est plein d'astéroïdes, de comètes et de poussière. La poussière en astronomie est, au cas où, tout ce qui fait moins d'un mètre de diamètre. Tout cela entre en collision et interagit constamment. Si le monde et l'anti-monde se rencontraient quelque part, nous le verrions immédiatement. Regardons plus loin - la galaxie de la Voie lactée. Mais il est plein de nuages ​​de gaz, ils ne sont pas isolés les uns des autres. La frontière du monde et l'anti-monde devraient briller très, très brillamment. Eh bien, avec la galaxie, je vois. Si vous allez dans les zones les plus sombres de l'Univers - dans l'espace entre les superamas de galaxies, il y aura alors plusieurs atomes d'hydrogène pour cent mètres cubes. Oui, c'est très petit, mais le signal de l'annihilation devrait venir strictement à une fréquence. Des événements rares se produiront constamment dans l'Univers et un signal avec une énergie clairement définie ne sera pas difficile à détecter. Jusqu'à présent, nos observations montrent qu'il n'y a pas d'antimatière à grande échelle dans l'Univers.

Une question fondamentale se pose: comment s'est formée la domination complète de la matière sur l'antimatière? Deux scénarios peuvent être proposés:

1. Supposons qu'il y avait plus de substance dans l'univers depuis le tout début. Dès le début du Big Bang.
2. Initialement, la matière et l'antimatière étaient dans des proportions égales. Puis, d'une manière ou d'une autre, il y avait plus de substance.

La première façon semble très simple. Mais cela ne correspond pas bien à notre compréhension de l'Univers primitif. Au début, il s'agissait principalement de rayonnements (photons) et ils n'avaient pas d'anti-partenaires. Autrement dit, ils ne pouvaient pas créer uniquement des particules ou des antiparticules. De plus, cette hypothèse n'est pas très élégante. Face à un problème, nous fixons artificiellement la valeur souhaitée du paramètre du modèle. La physique, au contraire, essaie de minimiser le nombre de paramètres artificiels (initiaux) et de maximiser la liberté de la nature.

Vous devez donc trouver un moyen de générer la supériorité de la matière sur l'antimatière dans des proportions initiales égales. Tout d'abord, nous nous demandons - combien plus de substance était dans le premier Univers? Nos observations montrent que pour 10 000 000 000 de paires identiques quark-antiquark , il y avait un quark supplémentaire. Au fil du temps, ces millions de paires anéanties, et sur une particule "extra", toute la substance de l'Univers que nous pouvons voir autour est sortie. Nous avons juste à comprendre comment exactement une si petite asymétrie s'est formée qui a jeté les bases de notre monde de la matière.

Conditions de Sakharov

De quoi avons-nous besoin pour créer une telle asymétrie?

1) Un processus qui change $$$N_ {baryons} -N_ {anti-baryons}$ . Après tout, il est clair que si nous donnons naissance / détruisons des baryons et des anti-baryons (lecture, quarks / anti-quarks) ensemble, nous ne briserons pas la symétrie.

Tu penses tout? Peu importe comment!
Nous avons donc trouvé un processus qui crée plus de baryons que d'anti-baryons. Champagne ouvert? Non. Un processus miroir peut facilement être trouvé qui crée des anti-baryons exactement de la même quantité de plus.

2a) Une distinction est nécessaire dans les procédés pour les particules et pour les anti-particules. C'est ce qu'on appelle une violation de la symétrie C (charge, charge).

2b) Nous avons également besoin que les lois de la physique diffèrent dans un monde en miroir. Pourquoi aussi ça? Supposons que nous ayons des lois différentes pour les particules et pour les antiparticules. Mais tout à coup elles s'expriment dans le fait que les antiparticules s'envolent "vers la gauche", et les particules "vers la droite"? Encore une fois, tout est compensé. Il faut briser cette symétrie. C'est ce qu'on appelle la symétrie P (parité, spatiale).

Il y a trois symétries fondamentales en physique - C, P, T. Vous avez rencontré les deux premières, la troisième est temporaire, nous changeons l'écoulement du temps à l'opposé. Tous ensemble, ils doivent être préservés. Sinon $$$E = mc ^ 2$ tombe en panne.

Afin de disposer en quelque sorte la bouillie dans votre tête, qui est déjà complètement brassée, regardons une image simple qui montrera clairement ce qui change et comment chaque symétrie change. Disons que nous avons un noyau de cobalt. C'est un petit aimant, ou, plus strictement, a un spin non nul. Le noyau est radioactif et peut émettre des électrons. À quoi ressemblera cette image si nous appliquons différentes symétries?



C - transforme les particules en antiparticules
P - inverse le sens de la marche, mais conserve le sens de rotation. Après tout, si vous prenez une balle volant dans un cercle, tournez sa vitesse et placez-la dans le côté opposé du cercle, elle continuera à tourner dans la même direction. Le spin (aimantation) est souvent identifié précisément avec la rotation, par conséquent, il ne change pas lors de la mise en miroir.

3) Tout cela doit s'accompagner de processus extrêmement hétérogènes: une sorte de transition de phase ou une expansion non homogène.

La troisième condition dans l'Univers a été observée, les hétérogénéités y étaient terribles. La première condition dépasse le cadre de cet article déjà détaillé. Je peux seulement dire qu'il existe des solutions à ce problème. Nous nous concentrons sur le plus intéressant, à mon avis, le paragraphe 2.

Perturbations des quarks

À première vue, les conditions semblent fantastiques. Après tout, nous sommes presque sûrs que les particules et les antiparticules sont absolument symétriques. Et de gauche à droite d'autant plus! Mais la nature elle-même ne peut pas, sans intervention humaine, déterminer où elle est laissée et où est la droite? Il s'avère peut-être.
En 1956, Wu mène sa célèbre expérience. Tout est exactement comme dans l'image ci-dessus pour la symétrie spatiale (P). Il compare le nombre d'électrons volant de haut en bas. Et cela se révèle différent! Les lois de la physique sont différentes pour notre monde et pour le monde miroir.
Dire que les physiciens ont été surpris, c'est ne rien dire. La perte de cette symétrie par Landau est terriblement déçue. Mais il était sûr que la symétrie combinée des particules / antiparticules et droite / gauche (CP) devait être préservée.

Spoiler - non. En 1964, en observant les mésons K , une violation de la symétrie CP a été détectée. Des années plus tard, cet effet a été découvert pour les mésons B (2001), et ce printemps (2019), il a été annoncé que cet effet serait découvert pour les mésons D. Pourquoi est-ce important pour différentes particules? Ils se composent de différents quarks. Le fait que l'effet fonctionne de la même manière pour chacun d'eux montre très bien que notre modèle de quark décrit parfaitement la réalité.

Il semblerait que tout ce dont nous avons besoin pour créer l'Univers soit prêt. Mais non. L'effet était trop faible. Il ne suffisait même pas de créer le seul quark supplémentaire pour 10 000 000 000 de paires quark-antiquark.

Comment les neutrinos peuvent aider

Donc, pour résoudre ce problème à l'aide de quarks a échoué. Quelles sont les autres caractéristiques du modèle de particules élémentaires standard qui peuvent vous aider?



Leptons (électron, muon, neutrino, etc.). : — , . CP , , .

Il y a suffisamment d'expériences dans le monde pour étudier cet effet. Mais pour mesurer la différence entre les propriétés des neutrinos et des antineutrinos, il faut observer les deux types de particules dans des conditions identiques. De plus, d'énormes statistiques sont nécessaires, car l'effet devrait être extrêmement faible. Habituellement, la nature n'est pas si sensible à la différence entre particules et antiparticules. Actuellement, seules les expériences avec accélérateur sont capables de telles mesures, qui mesurent les oscillations des neutrinos lorsqu'ils volent sur des centaines de kilomètres. Voyons ce que c'est et comment il est mis en œuvre.

Expériences d'accélérateur avec des neutrinos

Dans les années 60 du 20e siècle, pour la première fois, il était possible d'utiliser des accélérateurs pour produire un grand nombre de neutrinos. Au début du 21e siècle, cette technologie a commencé à être utilisée pour étudier les oscillations des neutrinos. Le schéma de production d'un faisceau de neutrinos intense est assez simple: le faisceau de protons est dirigé vers une cible en graphite, où il entre en collision avec des atomes de carbone. Dans ces collisions, un grand nombre de mésons (paires quark-antiquark) s'envolent . Ce sont des particules instables chargées. Jusqu'à ce qu'ils se désintègrent, ils sont focalisés avec un champ magnétique pour créer un faisceau intense dirigé strictement vers le détecteur. Et puis ils se désintègrent en neutrinos, et maintenant nous avons un grand nombre de neutrinos volant strictement dans le détecteur.


— T2K (Tokai-to-Kamioka), .



. 300 — 50 SuperKamiokande. : . , . , CP .
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SuperKamiokande . , .

T2K NOvA . HyperKamiokande DUNE . SuperKamiokande. 5 , — .

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Peut-être qu'un lecteur intelligent se souviendra d'un neutron - une particule neutre qui, avec un proton, forme des noyaux atomiques. Mais non, le neutron est une particule intégrale. Il se compose de quarks, ce qui signifie que l'antineutron doit être composé d'antiquaires. Étant donné que les quarks ont une charge, leurs antipartners doivent différer des particules d'origine.

Le neutrino est une particule unique à cet égard. Et quel bénéfice pouvons-nous en tirer? Imaginez un neutrino né dans une désintégration bêta normale. Ce sera un anti-neutrino. Avec lui, un électron sortira du noyau. Mais cet anti-neutrino peut interagir non pas comme une anti-particule, mais comme une particule, car ils peuvent être les mêmes. Le résultat est un autre électron.

Résultat: à partir de rien, nous avons obtenu deux électrons. Pas un positron, à savoir un électron! Voici un exemple de la façon dont vous pouvez tirer parti d'une substance par rapport à l'antimatière. Une recherche active d'un analogue d'un tel processus est en cours. Il s'agit de la double désintégration bêta sans neutrinos . Des installations incroyablement sensibles ( une , deux , trois , etc.) se trouvent profondément sous terre pour se protéger contre les rayons pénétrants, souvent dans un environnement très propre. Ils essaient d'enregistrer au moins un de ces événements, ce qui entraînera la naissance de deux électrons de deux neutrons. La découverte d'un tel effet permettra d'indiquer sans ambiguïté que les neutrinos et les antineutrinos sont des particules identiques. Mais jusqu'à présent, aucun événement de ce type n'a été trouvé et la recherche se poursuit.



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Stay tuned!


() Symmetry Magazine


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