Matéria e antimatéria: o que é, qual é a diferença e o que o neutrino tem a ver com isso

A antimatéria é uma coisa bastante popular, tanto na ficção científica quanto simplesmente nas disputas pseudocientíficas sobre "como tudo realmente funciona". A ficção científica nos deu estrelas e sistemas planetários inteiros de antimatéria. Dan Brown, através de "Anjos e Demônios", trouxe esse fenômeno para quase todos.

Em geral, a ficção e a especulação são abundantes. No artigo, mergulharemos um pouco na história: como a matemática quase pura previu um fenômeno como eles tentaram "negligenciá-lo", até que a própria antimatéria voou para os detectores. Depois, examinaremos o que sabemos agora e sentiremos a maior dor de cabeça dos físicos - por que havia mais substância no universo do que a antimatéria?



Este artigo foi escrito em uma continuação de um ciclo lento demais sobre a física de neutrinos: a descoberta de neutrinos , oscilações de neutrinos para manequins, neutrinos de supernovas .

Um pouco de história

O começo da mecânica quântica

Vamos à distância, quase desde a própria criação do quantumme. Os físicos não conseguiram contar como o corpo aquecido brilha. O fato de estar aceso ninguém discute, o benefício a olho nu é visível, mas é impossível contar em números - a integral diverge, resulta infinito. Max Planck oferece um truque simples - vamos supor que a luz seja emitida em porções e não continuamente. E voila - infinito desaparece, e o resultado dos cálculos combina perfeitamente com o experimento. É engraçado que Planck tenha provado por muito tempo que este é um truque puramente matemático, e não há significado físico aqui. Einstein imediatamente pegou essa idéia e sugeriu que a luz em geral existe exclusivamente na forma de porções separadas - fótons . E então ele discutiu com Planck por um longo tempo e explicou a ele o que realmente havia descoberto.

Então os físicos se viraram. A capacidade de descrever a luz tanto como uma onda quanto como uma partícula voadora imediatamente levou a proposta a seguir o caminho oposto - descrever a partícula como uma onda, calcular as características da onda para ela: comprimento, frequência. A confirmação experimental não demorou a chegar, e em 1927 foi possível demonstrar a interferência de elétrons que passam por duas fendas - um efeito puramente de onda!

Na sequência dessas idéias, Schrödinger decide como descrever qualquer partícula usando a equação de onda. Não vamos nos aprofundar na matemática, apenas dizeremos que essa equação nos permitiu calcular as características de onda de uma partícula para determinadas condições: a probabilidade de encontrá-la em um determinado local, a probabilidade de ter uma certa velocidade etc. Então, naqueles dias, eles descreveram o fenômeno da dualidade onda-partícula .

Antimatéria entra em cena

20 anos antes disso, Einstein formulou sua teoria especial da relatividade . No contexto de nosso artigo, a conexão que ele estabeleceu entre massa, energia e momento é extremamente importante. A maioria das pessoas se lembrará dessa famosa expressão de uma partícula em repouso. $$$E = mc ^ 2$ . É simples, bonito, mas, infelizmente, não é aplicável a partículas em movimento. Para eles, também é preciso levar em consideração o momento (p):

$$

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

E aqui estão muitos problemas! Eles levarão à descoberta da antimatéria!

A equação de Schrödinger funcionou bem para partículas não tão rápidas. Nesses casos, as equações da mecânica newtoniana familiares a todos da escola permaneceram verdadeiras. Mas estamos cercados por muitas partículas muito rápidas e, para elas, precisamos usar a equação acima, conectando energia, momento e massa. O problema era extrair a raiz para encontrar energia. Paul Dirac, em 1930, criou uma maneira complicada de fazer isso usando matrizes e generalizou a equação de Schrödinger para partículas de alta energia.

Então, ele se deparou com uma classe bem conhecida com o sétimo problema: extrair a raiz fornece duas soluções. Lembre-se, ao resolver problemas na escola, às vezes você toma decisões negativas? Geralmente eles escrevem "não tem um significado físico" e escrevem cuidadosamente uma decisão positiva. Por exemplo, contando quando os carros em movimento se encontram, você obtém respostas: -1 hora e 3 horas, o primeiro sempre foi descartado. Não é sem sentido, uma hora atrás, os carros estavam realmente em um ponto, mas responder à pergunta: "Quando eles se encontrarão no futuro?", Não é bom.

Assim, Dirac, calculando o movimento de um elétron, recebeu soluções com energia negativa. A primeira idéia foi descartar essa resposta como "não tendo significado físico". Mas, como no caso das máquinas, ainda deve haver algum sentido por trás dessa decisão!

Se permitirmos a existência de tais estados com energia negativa (e carga positiva), então na física haverá um caos completo. Vejamos um exemplo de uma imagem simples:



Aqui, a energia vertical é a energia das partículas. No topo de um fundo amarelo existem elétrons comuns com energia positiva e carga negativa. Quanto mais energia, maior a velocidade - tudo fica intuitivamente claro. Mas lá embaixo ... Uma enorme área exótica azul. Lá, se a energia diminuir, em outras palavras, se aprofundar em menos, a velocidade aumentará. Como é isso ?!

Ainda pior. Afinal, qualquer sistema tende a um mínimo de energia, a bola sempre estará no fundo do buraco. Portanto, absolutamente todos os elétrons tenderão a cair até o fundo, acelerando sem parar ... Em geral, não haverá elétrons no mundo.

Dirac, apaixonado pela beleza da matemática, insistia que a solução deveria fazer sentido. Por isso, ele foi criticado repetidamente. Ele foi declarado cegamente seguindo a matemática, apesar do significado físico. Basta citar Heisenberg, a propósito, um amigo íntimo de Dirac:

O capítulo mais triste da física moderna é e continua sendo a teoria de Dirac ...
Considero simplesmente lixo, que ninguém pode levar a sério.

Mas Dirac continuou a salvar sua teoria e, ao mesmo tempo, toda a física. Ele sugeriu que essa região azul já está cheia de elétrons, e é por isso que eles não caem lá de cima - não há lugar (lembra do princípio de Pauli ?). É apenas que a propriedade de vácuo é tal que toda a área azul é preenchida. Essa camada cheia de partículas é chamada de "Mar de Dirac". Aqui é interessante considerar dois casos:

1. Você pode chutar um elétron na região azul, por exemplo, com um fóton. Ele receberá muita energia e saltará para a zona amarela. Agora teremos um elétron (com energia positiva - tudo está em ordem) e um buraco (falta de elétron) na zona azul, que se comportará como uma partícula positiva.
2. Um elétron com carga negativa será naturalmente atraído por um buraco positivo e pode até cair nele. Então o elétron deixará de existir e o buraco será preenchido.

A questão permanece - com o que identificar um buraco no mundo ao nosso redor? Dirac propôs um próton. Ao qual Oppenheimer observou, com razão, que isso comprometia a existência de um átomo de hidrogênio - porque um próton e um elétron poderiam então se encontrar e desaparecer.

Descoberta experimental

Então, chegamos à busca experimental de um candidato para o papel de “buraco” no mar de Dirac. Sabemos que deve ser carregado positivamente e aproximadamente igual em massa ao elétron.

Supõe-se que as primeiras partículas estranhas foram observadas por Dmitry Skobeltsyn nos anos 20. Ele conseguiu notar faixas no detector que pareciam elétrons, mas com uma carga positiva. Ele não conseguiu explicar tal efeito, e o artigo não foi publicado.

Depois de Skobeltsyn, os estudantes graduados do Prêmio Nobel Robert Milliken entram em cena histórica (prêmio pelo trabalho sobre o efeito fotoelétrico e medição da carga de um elétron). Um deles, Chung-Yao Chao, observou a passagem de fótons através da folha de chumbo. E também encontrou partículas incomuns. Mas nem seu líder, nem a comunidade científica acreditaram nos resultados, e eles não receberam reconhecimento. O segundo aluno de pós-graduação, Karl Anderson , a propósito, um amigo de Chao, observou os fótons dos raios cósmicos na câmara de Wilson . Seu líder esperava ver como eles iriam dividir átomos em prótons e elétrons. As partículas na câmara voaram principalmente de cima para baixo. E novamente, “elétrons” foram descobertos entre eles, desviando o outro lado em um campo magnético - isto é, carregado positivamente. No começo, Anderson pensou que eram elétrons comuns, mas que voavam de baixo para cima. Ele adicionou uma placa de chumbo ao experimento para garantir que as partículas chegassem exatamente de cima. Mas aqui Milliken não acreditava em seu aluno de pós-graduação. Anderson, após longas tentativas frustradas de convencer o chefe, publicou seu trabalho. Deve-se notar que nem Anderson nem Millikan provavelmente sabiam da teoria de Dirac. Ninguém teve a idéia de identificar partículas incomuns com "buracos" no "Mar de Dirac".

O próximo passo foi dado em Cambridge Blackett e Occialini. Eles conseguiram fotografar um número suficientemente grande de faixas de partículas positivas de luz. Eles já sabiam da teoria de Dirac, mas ainda não a levavam a sério.

Anderson, depois de ler o trabalho dos colegas, publicou uma segunda descrição mais detalhada de seus experimentos. Finalmente, sob a pressão de um grande número de evidências, o público reconheceu a descoberta do pósitron - foi assim que a partícula prevista por Dirac foi chamada. Por sua descoberta, Anderson recebeu o Prêmio Nobel em 1936.

Noto que hoje todos podem observar a antimatéria. Instruções sobre como fazer uma câmera em nuvem Wilson completa ( por exemplo ). Resta apenas adicionar um eletroímã para separar as partículas com carga oposta.

Agora sabemos que a antimatéria existe. Em claro acordo com a teoria, a partícula e a antipartícula têm a mesma massa, mas cargas opostas. Geralmente eles falam sobre uma carga elétrica. Mas vale lembrar que outras cargas quânticas devem ser estritamente opostas (ou ambas são iguais a zero). Ou seja, se uma partícula participa de uma forte interação nuclear, a antipartícula não irá a lugar nenhum - ela participará.

Antimatéria no universo

A primeira antimatéria foi descoberta usando raios cósmicos. Esses raios em si não atingiram a Terra, mas geraram chuvas inteiras de partículas secundárias na atmosfera do planeta. E foi isso que Anderson e a empresa viram. É completamente lógico fazer a pergunta - quanto dessa antimatéria está no universo e onde procurá-la? Como podemos ver, ele não existe na Terra, caso contrário, aniquilaria ativamente a matéria comum. Está no espaço? Não é tão fácil de responder. Basicamente, observamos o espaço nos raios eletromagnéticos. Ou seja, os fótons chegam até nós. Eles são seus próprios antipartículas. Tanto o pósitron quanto o elétron produziriam exatamente o mesmo fóton. Como hidrogênio / anti-hidrogênio. E se tudo (exceto a Terra) for feito de antimatéria? E então, em uma reunião, aguardamos a destruição completa em um flash poderoso.
Na realidade, o espaço não é tão vazio. O sistema solar está cheio de asteróides, cometas e poeira. O pó na astronomia é, por precaução, tudo o que tem menos de um metro de diâmetro. Tudo isso constantemente colide e interage entre si. Se o mundo e o anti-mundo se encontrassem em algum lugar, nós o veríamos imediatamente. Vamos parecer mais amplos - a galáxia da Via Láctea. Mas está cheio de nuvens de gás, elas não são isoladas uma da outra. A fronteira do mundo e o anti-mundo devem brilhar muito, muito intensamente. Bem, com a galáxia, eu vejo. Se você for para as áreas mais escuras do Universo - para o espaço entre os superaglomerados de galáxias, haverá vários átomos de hidrogênio por cem metros cúbicos. Sim, isso é muito pequeno, mas o sinal da aniquilação deve ocorrer estritamente em uma frequência. Eventos raros ocorrerão constantemente no Universo e um sinal com uma energia claramente definida não será difícil de detectar. Até agora, nossas observações mostram que não existe antimatéria em larga escala no Universo.

Surge uma questão fundamental: como se formou a completa dominação da matéria sobre a antimatéria? Dois cenários podem ser sugeridos:

1. Vamos postular que havia mais substância no universo desde o início. Desde o início do Big Bang.
2. Inicialmente, matéria e antimatéria estavam em proporções iguais. Então, de alguma forma, havia mais substância.

A primeira maneira parece muito simples. Mas isso não concorda bem com a nossa compreensão do Universo primitivo. Nos estágios iniciais, consistia principalmente de radiação (fótons), e eles não têm anti-parceiros. Ou seja, eles não poderiam criar apenas partículas ou antipartículas. Além disso, essa hipótese não é muito elegante. Diante de um problema, corrigimos artificialmente o valor desejado do parâmetro do modelo. A física, pelo contrário, está tentando minimizar o número de parâmetros (iniciais) criados pelo homem e maximizar a liberdade da natureza.

Então, você precisa criar uma maneira de gerar a superioridade da matéria sobre a antimatéria em proporções iniciais iguais. Antes de tudo, nos perguntamos - quanto mais substância havia no Universo primitivo? Nossas observações mostram que, para 10.000.000.000 de pares de quarks e antiquark idênticos, havia um quark extra. Com o tempo, esses milhões de pares aniquilaram, e de uma partícula "extra", toda a substância do Universo que podemos ver ao redor foi lançada. Nós apenas temos que descobrir como exatamente foi formada uma assimetria tão pequena que lançou as bases para o nosso mundo da matéria.

Condições de Sakharov

O que precisamos para criar essa assimetria?

1) Um processo que muda $$$N_ {bárions} -N_ {anti-bárions}$ . Afinal, é claro que, se dermos à luz / destruímos bárions e anti-bárions (leitura, quarks / anti-quarks) juntos, não romperemos a simetria.

Pense em tudo? Não importa como!
Então encontramos um processo que cria mais bárions do que anti-bárions. Champanhe aberto? Não. Um processo de espelho pode ser facilmente encontrado, criando mais anti-bariones exatamente a mesma quantidade.

2a) É necessária uma distinção nos processos para partículas e anti-partículas. Isso é chamado de violação da simetria C (carga, carga).

2b) Também precisamos que as leis da física diferam em um mundo espelhado. Por que isso também? Suponha que tenhamos leis diferentes para partículas e antipartículas. Mas de repente eles se expressam no fato de que as antipartículas voam "para a esquerda" e as partículas "para a direita"? Mais uma vez, tudo é compensado. É necessário quebrar essa simetria. Isso é chamado de simetria P (paridade espacial).

Existem três simetrias fundamentais na física - C, P, T. Você conheceu as duas primeiras, a terceira é temporária, mudamos o fluxo de tempo para o oposto. Todos juntos devem ser preservados. Caso contrário $$$E = mc ^ 2$ quebra.

Para organizar de alguma forma o mingau na sua cabeça, que já está completamente preparado, vamos ver uma imagem simples que mostrará claramente o que e como cada simetria muda. Digamos que temos um núcleo de cobalto. É um pequeno ímã ou, mais estritamente, tem um giro diferente de zero. O núcleo é radioativo e pode emitir elétrons. Como será essa imagem se aplicarmos simetrias diferentes?



C - muda as partículas para antipartículas
P - inverte a direção da viagem, mas mantém a direção da rotação. Afinal, se você pegar uma bola voando em círculo, girar sua velocidade e colocá-la no lado oposto do círculo, ela continuará girando na mesma direção. A rotação (magnetização) geralmente é identificada com precisão pela rotação, portanto, não muda no espelhamento.

3) Tudo isso deve ser acompanhado por processos extremamente heterogêneos: algum tipo de transição de fase ou expansão não homogênea.

A terceira condição no Universo foi observada, as heterogeneidades eram terríveis. A primeira condição está além do escopo deste artigo já detalhado. Só posso dizer que existem soluções para esse problema. Focamos o mais interessante, na minha opinião, o número 2.

Perturbações do Quark

À primeira vista, as condições parecem fantásticas. Afinal, temos quase certeza de que partículas e antipartículas são absolutamente simétricas. E esquerda-direita ainda mais! Mas a própria natureza não pode, sem a intervenção humana, determinar onde é deixada e onde é certa? Acontece que talvez.
Em 1956, Wu conduz seu famoso experimento. Tudo é exatamente como na figura acima para simetria espacial (P). Ele compara o número de elétrons voando para cima e para baixo. E acaba sendo diferente! As leis da física são diferentes para o mundo e o mundo dos espelhos.
Dizer que os físicos ficaram surpresos é não dizer nada. A perda dessa simetria por Landau terrivelmente decepcionada. Mas ele tinha certeza de que a simetria combinada de partículas / antipartículas e direita / esquerda (PC) deveria ser preservada.

Spoiler - não. Em 1964, observando os mésons K , uma violação da simetria do PC foi detectada. Anos depois, esse efeito foi descoberto para os mésons B (2001), e nesta primavera (2019) foi anunciado que esse efeito seria descoberto para os mésons D. Por que isso é importante para diferentes partículas? Eles consistem em quarks diferentes. O fato de o efeito funcionar da mesma maneira para todos eles mostra muito bem que nosso modelo de quarks descreve perfeitamente a realidade.

Parece que tudo o que precisamos para criar o Universo está pronto. Mas não. O efeito foi muito pequeno. Não foi suficiente criar o único quark extra para 10.000.000.000 de pares de quarks-antiquark.

Como os neutrinos podem ajudar

Portanto, resolver esse problema com a ajuda de quarks falhou. O que mais há no Modelo Padrão de Partículas Elementares que pode ajudar?



Léptons (elétrons, múons, neutrinos, etc.).Um efeito tão interessante é observado para eles: eles podem mudar suas variedades em círculo - transformar-se um no outro, esse processo é chamado de oscilações de neutrinos . E é precisamente nesse processo que se pode encontrar a violação tão necessária para a física da PC , que pode se mostrar muito mais forte do que para os quarks.

Existem experiências suficientes no mundo para investigar esse efeito. Mas, para medir a diferença entre as propriedades de neutrinos e antineutrinos, é preciso observar os dois tipos de partículas em condições idênticas. Além disso, são necessárias estatísticas enormes, porque se espera que o efeito seja extremamente pequeno. Normalmente, a natureza não é tão sensível à diferença entre partículas e antipartículas. Atualmente, apenas experimentos com aceleradores são capazes de tais medições, que medem as oscilações de neutrinos quando voam centenas de quilômetros. Vamos ver o que é e como é implementado.

Experimentos de aceleradores com neutrinos

Nos anos 60 do século XX, pela primeira vez, era possível usar aceleradores para produzir um grande número de neutrinos. No início do século XXI, essa tecnologia começou a ser usada para estudar as oscilações de neutrinos. O esquema para produzir um intenso feixe de neutrinos é bastante simples: o feixe de prótons é direcionado para um alvo de grafite, onde colide com átomos de carbono. Nessas colisões, um grande número de mésons (pares quark-antiquark) voam . São partículas instáveis ​​carregadas. Até a decomposição, eles são focados com um campo magnético para criar um feixe intenso direcionado estritamente ao detector. E então eles decaem para neutrinos, e agora temos um grande número de neutrinos voando estritamente no detector.


Um dos principais experimentos do mundo nessa área é o T2K (Tokai-to-Kamioka), construído no Japão.



Os neutrinos são produzidos na costa leste do Japão usando um acelerador de prótons. Depois, eles voam 300 quilômetros na espessura da Terra e caem em um detector distante - um barril de 50 quilotons de água SuperKamiokande. No caminho, eles podem mudar seu tipo: passam de neutrinos de múon para eletrônicos. Recentemente, foram recebidas indicações de que neutrinos e antineutrinos se comportam de maneira diferente. Ou seja, eles violam a própria simetria do PC.
Talvez essa seja uma parte integrante do mecanismo que permitiu que nosso universo se formasse quase exclusivamente da matéria.


Foto dentro de SuperKamiokande durante o trabalho no ano passado. Perto da parede oposta, as pessoas são visíveis no barco; um homem também está trabalhando na balsa à esquerda.

Dois detectores aceleradores de neutrinos T2K no Japão e NOvA nos EUA estão atualmente em operação no mundo. Na próxima década, estão planejadas experiências de uma nova geração de HyperKamiokande no Japão e DUNE nos EUA. A primeira será uma versão significativamente melhorada do SuperKamiokande. Um barril de água se tornará 5 vezes maior, elementos fotossensíveis se tornarão mais precisos - tudo isso nos permite esperar uma solução final para o problema com uma diferença no comportamento de neutrinos e antineutrinos.

As partículas devem diferir das antipartículas?

Falando sobre a diferença entre partículas e antipartículas, não se pode deixar de mencionar outra característica interessante dos neutrinos. Desde o início do artigo, queríamos dizer que, por exemplo, quark e antiquark são diferentes entre si. Ou seja, são partículas diferentes. Para partículas carregadas, esse é sempre o caso, porque o parceiro deve ter a carga oposta. Obviamente, eles devem ser diferentes.

Com partículas neutras, tudo é mais complicado. De repente, eles podem ser partículas e antipartículas ao mesmo tempo? Sim eles podem! O físico italiano Ettorio Majorana mostrou que para os neutrinos esses dois estados podem coincidir. O neutrino é único no sentido de que nem quarks nem leptões carregados (por exemplo, elétron / múon) podem ter essa propriedade.

Talvez, um leitor inteligente se lembre de um nêutron - uma partícula neutra que, junto com um próton, forma núcleos atômicos. Mas não, o nêutron é uma partícula integral. Consiste em quarks, o que significa que o antineutron deve consistir em antiquários. Como os quarks têm uma carga, seus antipartners devem diferir das partículas originais.

O neutrino é uma partícula única a esse respeito. E que benefício podemos tirar disso? Imagine um neutrino que nasceu em decaimento beta normal. Será um anti-neutrino. Juntamente com ele, um elétron voará para fora do núcleo. Mas esse antineutrino pode interagir não como uma antipartícula, mas como uma partícula, porque eles podem ser os mesmos. O resultado é outro elétron.

Como resultado: do nada, temos dois elétrons. Não é um pósitron, ou seja, um elétron! Aqui está um exemplo de como você pode obter a vantagem de uma substância sobre a antimatéria. Uma busca ativa por um análogo desse processo está em andamento. É chamado de decaimento beta duplo sem neutrinoless . Instalações incrivelmente sensíveis ( uma , duas , três etc.) ficam no subsolo para proteger contra raios penetrantes, geralmente em um ambiente muito limpo. Eles estão tentando registrar pelo menos um desses eventos, o que levará ao nascimento de dois elétrons a partir de dois nêutrons. A descoberta de tal efeito permitirá indicar inequivocamente que neutrinos e antineutrinos são partículas idênticas. Mas até agora nenhum desses eventos foi encontrado e a pesquisa continua.



Nos próximos anos, podemos esperar descobertas interessantes na física dos neutrinos, que podem lançar luz sobre o problema da dominância da matéria no Universo.

Fique atento!


(c) Revista Symmetry


Gostaria de agradecer aos meus colegas e à comunidade CERNach por sua ajuda no trabalho neste artigo. Lembro que no CERNach você encontra as últimas notícias sobre física de partículas e, mais recentemente, fluxos do próprio CERN.