物质与反物质：是什么，区别是什么，中微子与它有什么关系

无论是在科幻小说中，还是在关于“一切如何真正起作用”的伪科学争议中，反物质都是一个相当受欢迎的事物。 科幻小说给了我们恒星和整个行星反物质系统。 丹·布朗（Dan Brown）通过“天使与魔鬼”（Angels and Demons）将这种现象带给了几乎所有人。

一般来说，虚构和猜测到处都是。 在本文中，我们将深入探讨一下历史：几乎纯数学如何预测这种现象，而他们试图“忽略”这种现象，直到反物质本身飞入检测器。 然后，我们将回顾我们现在所知道的，并使物理学家感到最大的头痛-为什么宇宙中存在的物质多于反物质？



本文是在关于中微子物理学的非常低迷的循环的延续中写成的：中微子的发现，假人的中微子振荡 ， 超新星产生的中微子 。

一点历史

量子力学的开始

让我们走远一点，几乎从量子组的创建开始。 物理学家没有设法计算出被加热的身体如何发光。 没有人争执的事实是，肉眼可见的好处是显而易见的，但不可能计算在内-积分相异，结果无穷大。 马克斯·普朗克（Max Planck）提供了一个简单的技巧-让我们假设光是分部分而不是连续发光的。 瞧-无穷大消失了，计算结果与实验完全吻合。 很有趣的是，普朗克很长时间以来就证明了这纯粹是数学上的窍门，在这里没有任何物理意义。 爱因斯坦立刻提出了这个想法，并提出一般而言，光仅以单独的部分- 光子的形式存在。 然后他与普朗克争论了很长时间，并向他解释了他实际上发现了什么。

然后物理学家转过身来。 既可以将光描述为波又可以将其描述为飞行粒子的能力促使该提议采取相反的方式-将粒子描述为波，并为其计算波的特性：长度，频率。 实验的确认不久就到来了，1927年有可能证明电子通过两个缝隙的干扰-纯波效应！

在这些想法之后， 薛定er决定如何使用波动方程来描述任何粒子。 我们不会深入研究数学，我们只会说，该方程式使我们能够计算给定条件下粒子的波动特性：在特定位置发现粒子的概率，具有特定速度的概率等。 因此，在那时，他们描述了波粒对偶现象。

反物质进入现场

在那之前的20年，爱因斯坦提出了他的相对论特殊理论 。 在我们的文章中，他在质量，能量和动量之间建立的联系非常重要。 大多数人会记住这种静止粒子的著名表达。 $$$E = mc ^ 2$。 它简单，美观，但不幸的是，不适用于移动的粒子。 对于他们来说，还需要考虑动量（p）：

$$

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

这里有很多问题！ 他们将导致反物质的发现！

Schrödinger方程适用于速度不太快的粒子。 在这种情况下，学校每个人都熟悉的牛顿力学方程仍然成立。 但是我们周围有许多非常快的粒子，对于它们，我们需要使用上面的公式，将能量，动量和质量联系起来。 问题在于提取能量的根源。 保罗·狄拉克 （ Paul Dirac）在1930年提出了一种使用矩阵的复杂方法，并将薛定ding方程推广到高能粒子。

然后，他遇到了一个有第七个问题的知名班级：提取根给出了两个解决方案。 记住，在学校解决问题时，有时会得到负面的决定吗？ 通常他们会写“没有物理意义”，并仔细地写出一个肯定的决定。 例如，计算行驶中的汽车何时会合，您会得到答案：-1小时和3小时，第一个始终被丢弃。 并非毫无意义，一个小时前，汽车确实处于某一时刻，但要回答这样一个问题：“它们将来什么时候见面？”，不是很好。

因此，狄拉克（Dirac）计算电子的运动时，收到了具有负能量的解。 第一个想法是将这个答案丢弃为“没有物理意义”。 但是，就机器而言，这一决定背后应该还有一定的道理！

如果我们允许存在具有负能量（和正电荷）的这种状态，那么在物理学中将存在完全的混乱。 让我们看一个简单图片的示例：



在此，垂直能量是粒子能量。 在黄色背景上是具有正能量和负电荷的普通电子。 能量越多，速度越快-一切都直观直观。 但是下面...一个巨大的蓝色异国情调的区域。 在那里，如果能量减少，换句话说，变得更深，变为负，则速度增加。 怎么样？！

更糟的是。 毕竟，任何系统都趋向于消耗最少的能量，球总是会趋向于底坑。 因此，绝对所有电子都将趋于下降到最底端，并不断加速……通常，世界上将没有电子。

爱上数学之美的狄拉克（Dirac）坚持认为解决方案应该有意义。 为此他一再受到批评。 尽管有物理意义，他还是被盲目地奉为数学。 顺带一提，狄拉克的密友海森伯格就足够了：

现代物理学中最可悲的一章是狄拉克理论，现在仍然如此。
我认为这只是垃圾，没有人可以认真对待。

但是狄拉克继续保存他的理论，同时保留了所有物理学。 他建议这个蓝色区域已经充满了电子，这就是为什么它们不从上方掉落的原因-那里没有位置（还记得保利原理吗？）。 只是真空属性使整个蓝色区域被填充。 这样的颗粒填充层称为“狄拉克海”。 这里有趣的是考虑两种情况：

1. 您可以例如使用光子在蓝色区域内踢电子。 他将获得大量能量，并将跳入黄色区域。 现在，我们将在蓝色区域中拥有一个电子（具有正能量-一切都是有序的）和一个空穴（缺少电子），其行为类似于正粒子。
2. 带负电的电子自然会被吸引到正孔中，甚至可能掉入其中。 然后，电子将不再存在，并且空穴将被填满。

问题仍然存在-如何识别我们周围世界的空洞？ 狄拉克提出了一个质子。 对此，奥本海默（Oppenheimer）正确地指出，这危害了氢原子的存在-因为质子和电子然后可能会合并消失。

实验发现

因此，我们进行了实验性搜索以寻找狄拉克海中“空洞”的作用。 我们知道它必须带正电，并且质量近似等于电子。

假定最初的奇怪粒子是20年代由Dmitry Skobeltsyn观测到的。 他设法注意到探测器中的轨迹看起来像电子，但带有正电荷。 他无法解释这种影响，因此该文章也未发表。

继斯科博尔岑（Skobeltsyn）之后，诺贝尔奖获得者罗伯特·米利肯（Robert Milliken）的研究生（获得了光电效应和测量电子电荷的奖项）进入了历史舞台。 其中之一，赵忠尧（Chung-Yao Chao）观察了光子穿过铅箔的过程。 并且还发现了不寻常的颗粒。 但是它的领导者和科学界都没有相信结果，也没有得到认可。 顺便说一句，第二位研究生卡尔·安德森 （ Karl Anderson）是赵的朋友，他在威尔逊的房间里观察了宇宙射线的光子。 它的领导者希望看到他们如何将原子分裂成质子和电子。 室内的颗粒主要从顶部飞到底部。 再一次，在其中发现“电子”，使另一侧在磁场中偏转，即带正电。 起初，安德森认为这些是普通的电子，但从下而上飞散。 他在实验中添加了一块铅板，以确保粒子精确地从上方到达。 但是在这里，米利肯不相信他的研究生。 经过漫长的失败尝试说服老板之后，安德森发表了他的作品。 应该指出的是，安德森（Anderson）和米利坎（Millikan）都不大可能了解狄拉克的理论。 没有人想到在“狄拉克海”中识别出带有“孔”的异常颗粒。

下一步是在Cambridge Blackett和Occialini进行的。 他们设法拍摄了足够数量的光正粒子轨迹。 他们已经了解了狄拉克的理论，但仍然没有认真对待它。

在阅读了同事的著作之后，安德森发表了他的实验的第二篇更详细的描述。 最终，在大量证据的压力下，公众认识到正电子的发现-这就是狄拉克所预测的粒子。 由于他的发现，安德森于1936年获得诺贝尔奖。

我注意到今天每个人都可以观察到反物质。 有关如何使Wilson云摄像机完整的说明（ 例如 ）。 仅需在其上添加电磁体以分离带相反电荷的粒子即可。

现在我们知道反物质存在。 与理论完全一致，粒子和反粒子具有相同的质量，但电荷相反。 通常他们谈论电荷。 但值得记住的是，其他量子电荷必须严格相反（或两者都等于零）。 也就是说，如果粒子参与强核相互作用，那么反粒子将不会流向任何地方-它将参与。

宇宙中的反物质

使用宇宙射线发现了第一个反物质。 这些射线本身并未到达地球，而是在行星大气中产生了次级粒子的整个喷淋。 这就是安德森和公司所看到的。 提出这个问题是完全合乎逻辑的-宇宙中有多少种反物质，在哪里可以找到？ 正如我们所看到的，它在地球上不存在，否则它将被普通物质主动歼灭。 在太空吗？ 回答起来并不容易。 基本上，我们观察电磁射线中的空间。 也就是说，光子来到我们身边。 他们是他们自己的反粒子。 正电子和电子都会产生完全相同的光子。 像氢/抗氢。 如果一切（地球除外）都是由反物质构成的，该怎么办？ 然后在一次会议上，我们正等待以强大的闪光力彻底销毁。
实际上，空间并不是那么空旷。 太阳系充满了小行星，彗星和尘埃。 为了以防万一，直径小于一米的一切都是天文学中的尘埃。 所有这些不断碰撞并相互影响。 如果世界和反世界在某个地方相遇，我们将立即看到它。 让我们看得更宽-银河系。 但是它充满了气体云，它们之间并不是相互隔离的。 世界和反世界的边界应该非常非常耀眼。 好吧，有了星系，我明白了。 如果您前往宇宙最黑暗的区域-银河系超级集群之间的空间，那么每百立方米将有几个氢原子。 是的，这很小，但是from灭的信号应严格来自一个频率。 稀有事件将在宇宙中不断发生，并且具有清晰定义的能量的信号将不难检测到。 到目前为止，我们的观察表明，宇宙中没有大规模的反物质。

一个基本的问题出现了：物质如何完全控制反物质形式？ 可以提出两种情况：

1. 让我们假设，从一开始，宇宙中就有更多的物质。 从大爆炸的开始。
2. 最初，物质和反物质比例相等。 然后以某种方式有更多的实质。

第一种方法似乎非常简单。 但这与我们对早期宇宙的理解并不一致。 在早期阶段，它主要由辐射（光子）组成，并且没有反伴侣。 即，它们不能仅产生颗粒或反颗粒。 而且，这个假设不是很优雅。 面对问题，我们人为地确定了模型参数的期望值。 相反，物理学正在努力减少人造（初始）参数的数量，并最大化自然的自由度。

因此，您需要想出一种方法，以相等的初始比例生成物质优于反物质的优势。 首先，我们问自己-早期宇宙中还有多少物质？ 我们的观察结果表明，对于10,000,000,000个相同的夸克-反夸克对，有一个额外的夸克。 随着时间的流逝，这几百万对被消灭了，并且从一个“额外”的粒子中，我们可以看到的所有宇宙物质都出来了。 我们只需要弄清楚是如何形成如此微小的不对称性而为我们的物质世界奠定了基础。

萨哈罗夫的条件

我们需要什么来创建这种不对称性？

1）一个变化的过程 $$$N_ {baryons} -N_ {anti-baryons}$。 毕竟，很明显，如果我们一起生出/破坏重子和反重子（读，夸克/反夸克），那么我们就不会破坏对称性。

想一想吗？ 无论如何！
因此，我们发现了一个比重子重创建更多重子的过程。 开香槟？ 不行 可以很容易地找到一个镜像过程，该镜像过程会产生更多完全相同的反重子。

2a）在颗粒和反颗粒的过程中需要区别对待。 这称为违反C对称性（电荷，电荷）。

2b）我们还需要物理定律在镜像世界中有所不同。 为什么还这样？ 假设我们对粒子和反粒子有不同的定律。 但是突然之间，它们以反粒子“向左”飞出而粒子“向右”飞出的事实表达了吗？ 同样，一切都会得到补偿。 有必要打破这种对称性。 这称为P对称（奇偶，空间）。

物理学中存在三个基本对称性-C，P，T。您遇到了前两个，第三个是暂时的，我们将时间流向相反。 所有这些都必须保留。 不然 $$$E = mc ^ 2$崩溃了。

为了以某种方式将已经煮好的粥放在您的头上，让我们看一张简单的图片，可以清楚地显示每种对称性的变化以及变化方式。 假设我们有一个钴核。 它是一个小磁铁，或更严格地说，具有非零自旋。 原子核是放射性的，可以发射电子。 如果我们应用不同的对称性，这张图片会是什么样？



C-将粒子更改为反粒子
P-反转行进方向，但保持旋转方向。 毕竟，如果您将一个球绕圈飞行，请旋转其速度并将其放在圆圈的另一侧，它将继续沿相同方向旋转。 自旋（磁化）通常通过旋转精确地识别，因此，在镜像时它不会改变。

3）所有这些都必须伴随着疯狂的异质过程：某种相变或不均匀膨胀。

观察到宇宙中的第三个条件，那里的异质性很糟糕。 第一个条件超出了本文的范围。 我只能说有解决这个问题的办法。 我认为，我们关注最有趣的第2段。

夸克干扰

乍一看，条件似乎很棒。 毕竟，我们几乎可以肯定粒子和反粒子是绝对对称的。 而且从左到右！ 但是，如果没有人类的干预，自然本身就无法确定自然界何在？ 事实证明，也许。
1956年， 吴进行了他著名的实验。 对于空间（P）对称性，一切都与上图中完全相同。 它比较了上下飞行的电子数量。 事实证明是不同的！ 对于我们和镜像世界，物理定律是不同的。
如果说物理学家感到惊讶，那什么也没说。 兰道对这种对称性的丧失非常令人失望。 但是他确信应该保留粒子/反粒子和右/左（CP）的组合对称性。

剧透-不 1964年，观察K个介子 ，发现违反了CP对称性 。 几年后， B介子 （2001）被发现了这种影响，而今年春天 （2019）宣布了D介子将被发现。 为什么这对于不同的粒子很重要？ 它们由不同的夸克组成。 效果对所有人都相同的事实很好地说明了我们的夸克模型完美地描述了现实。

似乎我们创建宇宙所需的一切都已准备就绪。 但是没有 效果太小。 甚至不足以为10,000,000,000夸克-反夸克对创建一个额外的夸克。

中微子如何提供帮助

因此，用夸克解决这个问题失败了。 标准基本粒子模型还可以提供什么帮助？



轻子（电子，介子，中微子等）。对于他们来说，观察到了这样一个有趣的效果：他们可以将它们的品种改变成一圈-彼此变成，这个过程称为中微子振荡。正是在这个过程中，人们才发现CP物理非常必要的违规行为，事实证明，这种违规行为比夸克要强得多。

世界上有足够的实验来研究这种效果。但是为了测量中微子和反中微子的性质之间的差异，需要在相同条件下观察两种类型的粒子。此外，需要巨大的统计数据，因为预期效果将非常小。通常，自然对粒子和反粒子之间的差异不太敏感。目前，只有能够在飞行数百公里时测量中微子振荡的加速器实验才能进行这种测量。让我们看看它是什么以及如何实现它。

中微子的加速器实验

早在20世纪60年代，就有可能使用加速器产生大量的中微子。在21世纪初，这项技术开始用于研究中微子振荡。产生强中微子束的方案非常简单：质子束直接对准石墨靶，并与碳原子碰撞。在这些碰撞中，大量介子（夸克－反夸克对）飞出。这些带电的不稳定颗粒。在它们衰减之前，它们会被磁场聚焦以产生严格指向检测器的强光束。然后它们衰减成中微子，现在我们有大量的中微子严格地进入探测器。


在此领域中，世界领先的实验之一是在日本制造的T2K（Tokai-to-Kamioka）。



中微子是使用质子加速器在日本东海岸生产的。然后它们飞到地球的厚度300公里，并落入一个遥远的探测器-一桶50公斤的SuperKamiokande水。在途中，它们可以改变其类型：它们从介子中微子转变为电子中微子。最近，有迹象表明中微子和抗中微子的行为不同。即，它们违反了非常CP的对称性。
也许这是使我们的宇宙几乎完全由物质形成的机制的组成部分。


去年工作期间，SuperKamiokande内部的照片。在远处的墙壁附近，船上有人可见，还有一个人也在左侧的木筏上工作。

现在，日本有两个加速中微子探测器T2K，美国有两个NOvA。在接下来的十年中，计划在日本和美国的DUNE生产新一代HyperKamiokande。第一个将是SuperKamiokande的显着改进版本。水桶将变大5倍，光敏元件将变得更精确-所有这些使我们希望最终解决中微子和反中微子的行为差异的问题。

粒子应与反粒子不同吗？

说到粒子和反粒子之间的差异，人们不能不提到中微子的另一有趣特征。从本文的开始，我们就意味着，夸克和反夸克是互不相同的。也就是说，它们是不同的粒子。对于带电粒子，情况总是如此，因为其伙伴必须具有相反的电荷。显然，它们必须不同。

使用中性粒子，一切都会变得更加复杂。突然之间，它们可以同时成为粒子和反粒子吗？是的，他们可以！意大利物理学家马托拉纳（Ettorio Majorana）指出，对于中微子，这两个状态可以重合。中微子在夸克或带电荷的轻子（例如电子/介子）都不能具有此特性的意义上是独特的。

也许，聪明的读者会记住中子-中性粒子，它与质子一起形成原子核。但是不，中子是一个整体粒子。它由夸克组成，这意味着反中子应由反夸克组成。由于夸克带有电荷，因此它们的反伴侣必须与原始粒子不同。

在这方面，中微子是独特的粒子。从中我们可以得到什么好处？想象一下中微子以正常的β衰变而诞生。这将是一个反中微子。连同它，电子将飞出原子核。但是，这种反中微子不能作为反粒子相互作用，而是作为粒子相互作用，因为它们可以相同。结果是另一个电子。

结果是：一无所有，我们得到了两个电子。不是正电子，就是电子！这是一个示例，说明了如何获得物质相对于反物质的优势。正在积极寻找这种过程的类似物。它被称为无中微子双β衰变。令人难以置信的敏感设施（再次，2，3，等等）是在地下深处针对穿透射线保护，往往在一个非常干净的环境。他们试图记录至少一个这样的事件，这将导致两个中子产生两个电子。发现这种效应将有可能明确表明中微子和反中微子是相同的粒子。但是到目前为止，尚未找到此类事件，搜索仍在继续。



在未来的几年中，我们可以期待中微子物理学中有趣的发现，这些发现可以阐明宇宙中物质占优的问题。

敬请期待！


（c）对称杂志


我要感谢我的同事和CERNach社区对本文的帮助。我想提醒您，在CERNach中，您可以找到有关粒子物理学的最新消息，以及来自CERN本身的最新消息。