Pergunte a Ethan No. 13: De onde veio o assunto?
Quando vir sua cópia da antimatéria que corre em sua direção, pense cuidadosamente antes de abraçá-la.
- J. Richard Gott III
Talvez você não tenha pensado no fato de que toda a Terra e tudo o que nela existe foram criados a partir da matéria. Parece intuitivo e não pode ser diferente. No entanto, as leis da natureza ainda não nos disseram por que o universo é tão organizado.O leitor pergunta:É verdade que, no início do Universo, matéria e antimatéria foram criadas em quantidades iguais? E, se não, sabe-se por que essa desigualdade surgiu?
E se o número deles era o mesmo, por que a antimatéria é tão pequena? Existe um mecanismo para explicar a prevalência da matéria sobre a antimatéria na parte visível do universo?
Pense nisso.
Isso faz parte do universo. Centenas de bilhões de estrelas e sistemas estelares existem apenas em nossa galáxia. Centenas de bilhões de galáxias estão na parte visível do universo. De todos eles, estudamos apenas nosso próprio sistema estelar, que, sem surpresa, acabou sendo criado a partir da matéria, não da antimatéria.
Mas, aparentemente, o resto do universo também é feito de matéria. Mais precisamente, o material no Universo está cheio, e se houvesse em algum lugar uma parte feita de antimatéria, testemunharíamos uma grande catástrofe quando matéria e antimatéria se encontrariam.
Por exemplo, o espaço entre estrelas nas galáxias é cheio de material, mesmo que não haja estrelas. O cosmos é vasto e a densidade da matéria é baixa. Pode ser calculado - se jogássemos uma partícula de antimatéria (digamos, um antipróton) no espaço, quanto tempo teria passado antes de encontrar uma partícula de matéria e aniquilação. Em média, duraria 300 anos no espaço interestelar de nossa galáxia - o que não é nada comparado à idade da galáxia. Essa limitação indica que entre a matéria só pode haver partículas de antimatéria em uma quantidade da ordem de 1 partícula por 10 15 .
Em uma escala maior, mapeamos galáxias e seus aglomerados, observamos diferentes comprimentos de onda, incluindo luz visível, ondas infravermelhas, microondas, rádio, ultravioleta, raios-x e raios gama. Especificamente, raios-x e raios gama são muito importantes para observações, porque ao aniquilar matéria e antimatéria, eles emitem radiação característica de alta energia, que podemos detectar.
Tendo estudado 55 aglomerados galácticos, a distâncias de vários milhões de anos-luz a três bilhões, vimos que nas escalas cósmicas 99,999% + de toda a matéria é matéria comum, não antimatéria.
E, no entanto, isso é inesperado. Você pode ter ouvido algo sobre a fórmula E = mc 2, e você sabe que ela afirma que não apenas a energia está contida na massa, mas que uma partícula também pode ser criada com energia suficiente na mão. Mas isso não é tudo.
Como estabelecemos em experimentos de laboratório na Terra, a única maneira de criar matéria é consumir o dobro da energia da fórmula E = mc 2 e criar a mesma quantidade de matéria e antimatéria. E vice-versa, podemos destruir a matéria apenas colidindo-a com antimatéria, como resultado da qual energia pura é liberada. E todas as leis da física dizem que isso é verdade a qualquer momento para qualquer energia.E, no entanto, nosso universo está diante de nós.
Se começássemos com o Big Bang, no final da inflação, com todas as condições iniciais necessárias e as leis conhecidas da física, teríamos esse estado:
Mas, se a energia cair, fica mais difícil para as partículas de alta energia produzirem novos pares matéria / antimatéria (b), como resultado do qual o número de reações que transformam matéria e antimatéria em radiação diminui. Porém, com uma diminuição na densidade, torna-se mais difícil para os pares matéria / antimatéria se encontrarem (a), como resultado do qual o número dessas reuniões não cairá para zero. Sempre haverá restos de matéria e antimatéria.E aqui começam coisas estranhas. De acordo com todos os cálculos, com base nas leis conhecidas da física e em nossos experimentos, deve haver 10 20 partículas de radiação para cada partícula de matéria ou antimatéria. Mas em nosso universo existem apenas um bilhão deles, 10 9 peças, por uma partícula de matéria. E a antimatéria é geralmente muito pequena.
Então, de onde veio o excesso de matéria? Por que o excesso de matéria apareceu, mas não a antimatéria? E quando? E como?Honestamente, este é um dos maiores mistérios não resolvidos da física. Mas se não sabemos tudo, isso não significa que não temos nenhuma pista. Por exemplo, desde os anos 1960, sabe-se que, cumprindo as três condições a seguir:- falta de equilíbrio
- número de bariones não conservação
- violação de invariância C e CP
mais matéria pode ser criada que antimatéria (ou vice-versa). Além disso, a assimetria neste caso é simplesmente inevitável. E, felizmente, dois desses critérios são fáceis de satisfazer.
A "falta de equilíbrio" ocorre quando determinados eventos em uma parte do sistema não afetam a outra parte, pois as informações não têm tempo para alcançá-los. Um Universo em expansão é um excelente exemplo de sistema em que, por definição, não há equilíbrio, e a descrição acima da aparência e aniquilação de matéria e antimatéria durante a expansão e o resfriamento do Universo é um excelente exemplo de processo sem equilíbrio.
Existem também muitos exemplos da diferença entre matéria e antimatéria e a quebra de várias simetrias. Um deles é a simetria da conjugação de carga, ou simetria C. Se você substituir todas as partículas por antipartículas e a simetria C for preservada, o sistema se comportará exatamente da mesma maneira. Outra é a simetria de paridade, simetria-P. Se for preservado, o sistema real e seu reflexo no espelho devem se comportar de forma idêntica.
Uma partícula instável como um múon em rotação decai de uma maneira específica - emitindo um elétron em uma determinada direção, de acordo com a rotação. Se você refletir isso no espelho (P), o elétron será emitido na direção oposta, o que na vida não acontece. Se você substituir o múon por um anti-múon (C), ele emitirá um pósitron na direção original - e isso também não acontece. Mas se substituirmos o múon rotativo por uma cópia espelhada do anti-múon rotativo (C e P, SR), esperamos que seu decaimento ocorra com tanta confiabilidade quanto o decaimento do múon no mundo real (sem espelho). Mas isso não acontece. Existem outros exemplos de violação das simetrias C e CP nos sistemas k-meson ou B-meson.
Portanto, precisamos apenas obter interações que não preservem o número de bárions em quantidades suficientes, ou seja, criar bárions onde eles não existiam (mas havia outra coisa). Infelizmente, precisamos de física aqui que não esteja no modelo padrão.Mas existem muitos desses mecanismos:- teorias da grande unificação contendo partículas na escala GUT
- teorias com novos escalares contendo mecanismos Affleck-Dyne
- extensões ao modelo padrão, incluindo neutrinos estéreis pesados
- teoria do excesso de leptões no jovem universo (leptogênese)
- nova física eletrofraca que pode melhorar a assimetria entre matéria e antimatéria
Vou dizer em detalhes apenas um exemplo.Imagine um universo quente, denso e jovem. Além da radiação e das partículas de matéria e antimatéria incluídas no Modelo Padrão, há outra partícula (e antipartícula), Q (e anti-Q). Q é muito pesado, mais pesado que um próton, tem uma carga positiva de +1 (como um próton) e aparece em abundância no jovem Universo, junto com suas metades, o anti-Q, que tem a mesma massa e carga oposta.Uma vez que são instáveis, quando o universo esfria, eles deixarão de ser criados. A maioria deles se encontrará e se aniquilará, e o resto se deteriorará.
Para cada variante do decaimento Q, um decaimento apropriado de anti-Q deve ocorrer. Se Q decair em um próton e neutrino, o anti-Q deverá decair em um antipróton e antineutrino. Se Q decair em um antineutron e um pósitron, o anti-Q deverá decair em um nêutron e um elétron.Estas não são partículas reais, são dadas como exemplo. Mas em diferentes teorias, existem partículas como os bósons X e Y no GUT e os leptoquarks em algumas extensões do Modelo Padrão que funcionam de acordo com regras muito semelhantes.Na ausência de violação da simetria do PC, eles decairão da mesma maneira que seu oposto.
Embora tudo isso seja chato, esse processo não criará excessos de massa. Mas se permitirmos a violação da simetria da PC, a diferença entre partículas e antipartículas pode estar no número de decaimentos. Qual a porcentagem de Q decai em prótons e neutrinos, em comparação com a porcentagem de anti-Q decai em antiprótons e antineutrinos. Podemos obter algo semelhante à figura a seguir, que é semelhante ao que observamos em sistemas com Kaons e B-mésons. Observe a diferença entre decaimentos Q e anti-Q.
Suponha que nosso Universo esteja cheio de matéria e antimatéria em proporções iguais e radiação, que ignoramos. Suponha também que haja um monte de Q e anti-Q em quantidades iguais que se rompam de acordo com as violações de simetria de CP descritas acima.O que restará?Um mar de prótons, neutrinos, antineutrinos, pósitrons, antiprótons, antineutrinos, nêutrons e elétrons. Isso é sim. Mas haverá mais prótons e neutrinos que antiprótons e antineutrinos, e haverá menos antineutrons e pósitrons que nêutrons e elétrons. Se ignorarmos os leptões (neutrinos, elétrons e suas antipartículas), é isso que o mar de partículas Q e anti-Q decadentes nos deixará.
E depois que todos os pares de matéria e antimatéria se encontrarem, restará um excesso de matéria em comparação com a antimatéria.Uma variante desse desenvolvimento de eventos ocorreu sem ambiguidade e levou ao fato de termos quantidades diferentes de matéria e antimatéria, e de que a densidade da matéria (mas não a antimatéria) é a mesma em todos os lugares que olhamos. Mesmo apesar de esse ser um dos maiores problemas não resolvidos da física, sabemos muito sobre isso e vale a pena recontar.Source: https://habr.com/ru/post/pt381645/
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