Standarde duble

Standarde duble

Konstantin Toms
"Mecanica populară" №7, 2018

Costul antimateriei scade: conform estimărilor din 1999, ar fi nevoie de 62,5 trilioane de dolari pentru a produce un gram de anti-hidrogen, în 2006 un gram de pozitroni a fost estimat la 25 de miliarde – dar antimateria rămâne incredibil de rară în universul nostru. În același timp, legile fizicii nu dau materiei obișnuite avantaje particulare. Din punctul de vedere al celor mai exacte formule, existența galaxiilor, a stelelor și a planetelor compuse din ea are temeiuri foarte neclintite.

Este obișnuit să înceapă conversația despre conceptele fizice cu filozofii antichității. În cazul antimateriei, acest lucru nu va funcționa: acest concept este un copil al secolului XX. Argumentele speculative despre antimaterie au sunat puțin mai devreme, dar data reală a nașterii sale ar trebui să fie considerată în 1928, când Paul Dirac a arătat că un obiect matematic ciudat apare în soluțiile ecuației relativiste Schrödinger, în toate sensurile similare cu un electron, dar cu o sarcină pozitivă.

Singura particulă cunoscută apoi încărcată pozitiv a fost un proton, iar unii oameni de știință nu au vrut să asocieze predicția lui Dirac cu el, dar diferența de masă de 2000 de ori nu a permis.Luptele au început să se înrăutățească, deoarece – deja în 1929 – fizicianul sovietic Dmitry Skobeltsyn a înregistrat experimental particule care se comportau ca electroni, dar când se deplasau, ele erau deflectate de un câmp magnetic în direcția opusă, adică aveau o încărcătură electrică pozitivă.

Esența experimentului său a fost destul de simplă: camera Wilson, precursorul detectoarelor moderne de particule elementare, a fost suplimentată cu magneți, a crescut la o înălțime mare și a înregistrat particule care sosesc din spațiu. Skobeltsyn nu a reușit să demonstreze că șinele răsucite în direcția "greșită" lasă noi particule-pozitive, și nu electroni aleatorii, care se ridică în direcția opusă, de pe Pământ în sus. Doar trei ani mai târziu, Karl Anderson a perfecționat experimentul împărțind camera lui Wilson cu o plită de plumb. Prin modul în care particulele misterioase au fost inhibate de plumb, au reușit să discearnă direcția mișcării lor. Anderson a dovedit în cele din urmă existența positronilor, pentru care în 1936 a câștigat Premiul Nobel.

Apropo, în prelegerea sa de la Nobel din 1933, Paul Dirac a prezis existența unui partener proton negativ încărcat, antiprotonul,care a fost descoperit experimental în 1955 de fizicieni de la Universitatea din Berkeley, Emilio Segre și Owen Chamberlain, care și-au câștigat Premiul Nobel. Un an mai târziu, în același loc, în Berkeley, antineutronul a fost de asemenea detectat. Este timpul să ne gândim la modul în care această anti-lume se încadrează în înțelegerea universului.

Rămășițe amabile

Modelul standard al fizicii particulelor elementare, formulat în anii 1950-1970, combina elegantele particule și antiparticule într-o abordare matematică generală. Lumea descrisă de ea se bazează pe cuarci și leptoni: caroanele constau din hadroni, cum ar fi un proton și neutron, și antiparticulele lor, iar leptonii sunt un electron cu un pozitron și "versiunile grele", mutonii și letonii tau. Nici fizica particulelor, nici teoria Big Bang nu favorizează unul sau altul dintre cuarci sau leptoni.

Formulele arată că la începutul Universului materia și antimateria ar trebui să apară, în general, în cantități egale. Rezultatul interacțiunii lor este cunoscut: anihilarea – transformarea întregii mase în energie, conform formulei Einstein E = mc2. Acest lucru sa întâmplat aproape imediat după Big Bang și urme ale fuziunii grandioase a materiei și a antimateriei sunt conservate în fotoni ai radiației de fond.Toată chestia din care sunt compuse nenumărate stele, planete și nori de gaze ale Universului modern sunt doar rămășițele care au supraviețuit anihilării, o cantitate mică de substanță originală pentru care antimateria nu era suficientă.

Avantajul materiei asupra antimateriei a fost nesemnificativ, dar sa dovedit a fi unul dintre cele mai mari mistere ale cosmologiei. Este exprimată de problema asimetriei barionare a Universului: care a fost "handicapul" datorat căruia sa format o substanță mai puțin substanțială în lumea nou-născutului decât antimateria? A fost foarte nesemnificativ – pentru a simplifica, putem spune că un miliard de particule de antimaterie au produs un miliard și încă o particulă de materie obișnuită, dar fără această distincție, Universul ar rămâne o goliciune plină de radiații reziduale. Nu ar exista observatori care să se poată liniști de faptul că nu există diferențe între materie și antimaterie și totul a lucrat exact conform formulelor. Din fericire, totul sa dovedit diferit.

Avantaj minim

Una dintre primele explicații teoretice privind dezechilibrul barionului a fost sugerată de Andrei Saharov. Înapoi la sfârșitul anilor 1960, el a legat asimetria materiei și a antimateriei cu încălcarea parității de încărcare spațială (simetrie CP) în interacțiunile fundamentale.Calculele sale sunt confirmate de experimente: interacțiunea slabă, spre deosebire de cele puternice și electromagnetice, "distinge" materia și antimateria. Formulele care descriu acest tip de interacțiuni nu-și păstrează puterea atunci când oglindesc un sistem de particule și încărcăturile lor.

Pe de altă parte, pentru a explica diferența observată în cantitatea unei substanțe și a unui antimaterie, numai încălcarea CP nu este suficientă. Poate că nu observăm nimic? Stele, galaxii întregi și chiar comete constând în antimaterie sunt, teoretic, destul de posibile. Cu toate acestea, căutarea lor nu este o sarcină ușoară: ele nu ar trebui să se deosebească de telescoape, stele și galaxii obișnuite. Prin urmare, mai multe speranțe sunt asociate cu detectarea antiparticulelor complexe în compoziția razelor cosmice. Acesta a fost unul dintre obiectivele experimentului AMS, lansat în 2011 la bordul ISS.

Un senzor montat pe suprafața exterioară a stației captează particule cosmice și analizează compoziția lor în căutarea particulelor anti-heliu, cele mai promițătoare pentru rezolvarea problemei asimetriei barionului. Din păcate, până în prezent, toate rezultatele indică absența unor cantități apreciabile de antimaterie în Universul nostru.Detectorul funcționează și detectează numai antiparticulele rare care se naște și dispar ca rezultat al interacțiunii dintre materia obișnuită. Poate ar trebui să cauți câteva diferențe mai subtile între ele?

Antiworld sintetic

Obținerea de anti-atomi pe Pământ sa dovedit a fi extrem de dificilă din punct de vedere tehnic. Primii atomi de hidrogen au fost obținuți abia în 1995 în experimentul SP20 privind acceleratorul LEAR al Centrului European de Cercetări Nucleare (CERN). Cele mai grele anti-elemente sintetizate astăzi sunt antihelul, al cărui nucleu conține două antiprotoane și unul sau mai multe anti-neutroni. Antiheliul-3 a fost observat chiar înainte de anti-hidrogen, în 1970, la sincrotronul protonilor U-70 al Institutului de Fizică înaltă Energie din Protvino. Izotopul antiheliu-4 a fost înregistrat în 2010 în laboratorul național american Brookhaven.

Antiparticulele produse artificial nu vor deține nici un vas: interacționând cu atomii de materie obișnuită, ei vor anihila instantaneu. Prin urmare, este necesar să salvați anti-atomii în capcane magnetice speciale Penning – înregistrarea de stocare pentru ziua de azi este de aproximativ 17 minute.Cu toate acestea, acest timp este suficient pentru a studia proprietățile antimateriei și pentru a verifica validitatea unor predicții ale teoriei.

Unul dintre astfel de lucrări a fost realizat în 2017-2018 de colaborarea ALPHA la același CERN. Fizicienii cu mare precizie au măsurat structura spectrului asociat interacțiunii momentelor magnetice ale nucleelor ​​și anticorpilor cu câmpul magnetic al electronilor și positronilor. Cu toate acestea, chiar și acest experiment de bijuterii nu a găsit nici o diferență în spectrul heliului obișnuit și al anti-heliului – în deplină concordanță cu Modelul Standard, din nou, fără a oferi nici o oportunitate de a explica existența întregului Univers al materiei obișnuite.

Perspective fără perspective

Există, de asemenea, explicații teoretice alternative pentru predominanța materiei asupra antimateriei. De exemplu, întreaga regiune a universului poate persista, unde predomină antimateria, separată de noi printr-un obstacol de la o "pereche" de anihilare foarte fierbinte care apare la granița dintre zonele pline de materie și antimaterie.

O altă idee se referă la ipoteza prezenței unui neutron sau a unui electron cu propriul moment dipol electric (EDM).În acest caz, materia și antimateria s-ar comporta destul de diferit, oferind o rezervă pentru a explica avantajele primului peste cel de-al doilea. Cu toate acestea, toate experimentele arată că, dacă aceste particule au EDM, atunci este extrem de slab, incapabil să explice prevalența materiei obișnuite.

Universul iubește echilibrul: fiecare acțiune este opusă, stânga este opusă dreptului – și fiecare caz de asimetrie trebuie să fie special. Discrepanța dintre cantitatea de substanță și antimaterie este probabil cel mai fundamental exemplu al unor astfel de inconsecvențe. Și până când înțelegem natura acestei diferențe, întreaga clădire a fizicii moderne va rămâne în picioare pe motive destul de neclintite.


Like this post? Please share to your friends:
Lasă un răspuns

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: