Хилков Дмитрий Александрович: другие произведения.

Ссылка на статью ''Новая теория исчезновения антиматерии''

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:

Конкурсы: Киберпанк Попаданцы. 10000р участнику!

Конкурсы романов на Author.Today
Женские Истории на ПродаМан
Рeклaмa
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    В 2015 году вышла статья, в которой достаточно интересные идеи...О лептогенезе.

  Кто заказал антиматерию?
  
  Мысль о возможности существования антивещества впервые была высказана еще в эпоху классической физики. В 1898 году англичанин Артур Шустер опубликовал в Nature весьма туманную заметку, вероятно, вдохновленную недавним открытием электрона. "Если существует отрицательное электричество, - вопрошал Шустер, - то почему бы не существовать отрицательно заряженному золоту, такому же желтому, с той же точкой плавления и с таким же спектром?" А дальше у него появляются и слова "антиатом" и "антивещество" - как считается, впервые в мировой научной литературе. Шустер предполагал, что антиатомы притягиваются друг к другу гравитационными силами, но отталкиваются от обычной материи.
  
  Антиэлектроны впервые были замечены в эксперименте, и опять-таки до момента своего официального открытия. Ленинградский физик Дмитрий Скобельцын, который в 20-е годы прошлого века исследовал рассеяние гамма-лучей на электронах в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, заметил, что некоторые треки вроде бы электронного происхождения искривляются не туда, куда положено. Дело, разумеется, в том, что гамма-квант при взаимодействии с веществом может давать начало электрону и позитрону, которые в магнитном поле закручиваются в противоположных направлениях. Скобельцын этого не знал и объяснить странный эффект не смог, однако в 1928 году доложил о нем на международной конференции в Кембридже.
  
  По занятному совпадению, годом ранее в совет кембриджского колледжа Св. Джона избрали молодого физика-теоретика Поля Адриена Мориса Дирака, чьи исследования со временем позволили объяснить эти аномалии. В том же 1928 году он написал релятивистское уравнение для волновой функции свободного электрона (точнее, для любой частицы с половинным спином). У него обнаружились четыре равноправных решения, причем в двух случаях энергия электрона оказалась положительной, а в двух - отрицательной. Через три года Дирак предложил отождествлять состояния с негативной энергией с еще неоткрытыми частицами, отличающимися от электрона только знаком заряда. Дирак назвал эти гипотетические частицы антиэлектронами, но вскоре, после их лабораторной регистрации их стали именовать позитронами. Уже во второй половине XX века было доказано (и теоретически, и в эксперименте), что все без исключения элементарные частицы, не важно, заряженные или нейтральные, обладают античастицами.
  
  Уничтоженная антиматерия
  
  Поль Дирак поначалу был уверен, что в нашей Вселенной существуют целые острова антивещества, о чем и упомянул в 1933 году в своей Нобелевской лекции. Однако сейчас можно с полной уверенностью сказать, что ничего такого нет ни в нашей Галактике, ни за ее пределами. Во Вселенной отсутствуют и антизвезды, и антипланеты, и даже космический антигаз.
  
  Конечно, антиматерия как таковая имеется. Античастицы порождаются многими высокоэнергетическими процессами - скажем, термоядерным горением звездного топлива и взрывами сверхновых звезд. Они возникают в облаках замагниченной плазмы, окружающих нейтронные звезды и черные дыры, в ходе столкновений быстрых космических частиц в межзвездном пространстве, при бомбардировке земной атмосферы космическими лучами и, наконец, в экспериментах на ускорителях. Наконец, распад некоторых радионуклидов сопровождается образованием позитронов. Но все это лишь античастицы, а отнюдь не антивещество. До сих пор никому не удалось обнаружить даже космический антигелий, не говоря уж об элементах потяжелее. Не увенчался успехом и поиск гамма-излучения со специфическим спектром, обусловленного аннигиляцией на границах космических скоплений материи и антиматерии. В общем, антиматерия в нашем мире в явном дефиците.
  
  Вот тут-то мы и приближаемся к обсуждаемой проблеме. Согласно общепринятым космологическим теориям, после выхода из фазы инфляционного расширения Вселенная (ее возраст составлял тогда 10-34 сек) содержала совершенно одинаковые количества материи и антиматерии. Затем имели место процессы, которые полностью освободили ее от антиматерии, но сохранили часть материи. Таким образом образовалась популяция протонов, нейтронов и электронов, которая в дальнейшем стала сырьем для изготовления всех атомов нашего мира.
  
  В настоящее время на каждые 4 кубических метра космического пространства приходится в среднем по миллиарду квантов реликтового электромагнитного излучения, одному электрону и одному протону, состоящему из трех кварков. Число нейтронов всемеро меньше, и в свободном состоянии они не встречаются. Как уже говорилось, позитроны, антипротоны и антинейтроны хоть кое-где и рождаются, но в таком малом количестве, что в космологических масштабах ими можно пренебречь. Но так было отнюдь не всегда.
  
  Когда возраст Вселенной приблизился к миллионной доле секунды, на каждый миллиард квантов приходилось примерно 3 миллиарда антикварков и 3 миллиарда три кварка. Они вступили в аннигиляцию, съевшую все антикварки, но оставившую в живых ничтожную часть кварков, которые не нашли антипартнеров. Уцелевшие кварки объединились в протоны и нейтроны, на что потребовалось не больше четырех-пяти микросекунд. Когда возраст мироздания достиг одной секунды, аннигилировали и исчезли позитроны, пребывавшие в таком же ничтожном дисбалансе с электронами. Вот так и возникла Вселенная, в которой плотность антиматерии практически не отличается от нуля.
  
  Вся сила в лептогенезе?
  
  Так вот, если дисбаланса по частицам и античастицам сначала не было, то как же он возник? Физики и космологи спорят об этом вот уже несколько десятков лет и до сих пор не пришли к единому мнению. Например, существует теория, которая объясняет возникновение асимметрии между материей и антиматерией с помощью квантовых превращений с участием нейтрино. В последние десятилетия экспериментаторы доказали, что эти частицы обладают массой, хотя и очень небольшой (по данным коллаборации космической обсерватории "Планк", опубликованным в конце прошлого года, сумма масс всех трех разновидностей нейтрино не превышает 0,23 эВ). Согласно общим принципам квантовой механики, отсюда следует, что нейтрино и антинейтрино могут быть как различными, так и тождественными частицами. В первом случае нейтрино называется дираковским, во втором - майорановским (по имени замечательного итальянского физика-теоретика Этторе Майорана, указавшего на такую возможность в конце 1930-х годов). Как на этот счет распорядилась природа, пока не известно.
  
  Следует отсюда вот что. В физике есть понятие лептонного числа - это разность между числами лептонов и антилептонов, которые участвуют в том или ином процессе. До сих пор эксперименты показывали, что лептонные числа строго сохраняются во всех ядерных реакциях. Если нейтрино является дираковской частицей, закон сохранения лептонного числа вообще никогда не должен нарушаться. А вот для майорановских нейтрино он может соблюдаться лишь приближенно, и, следовательно, допускать нарушения. Экспериментаторы знают даже, где их искать. Есть такой внутриядерный процесс, двойной бета-распад - сразу два нейтрона превращаются в протоны, испуская пару электронов и пару антинейтрино. Эти превращения происходят чрезвычайно редко, но все же случаются. А сейчас много где пытаются обнаружить двойной безнейтринный бета-распад - перескок ядра на две позиции правее по таблице Менделеева с испусканием лишь одних электронов. И если его найдут, придется согласиться, что лептонное число может не сохраняться и что нейтрино следует считать майорановской частицей.
  
  Во всех экспериментах появляются только нейтрино, у которых спин всегда направлен противоположно импульсу - такие частицы называют левовинтовыми. У антинейтрино спин смотрит в ту же сторону, что и импульс - это правовинтовые частицы. Отсюда следует, что наблюдаемые нейтрино не тождественно антинейтрнино, то есть, это дираковские частицы. Но можно предположить, что существуют (или когда-то существовали) нейтрино, описываемые уравнением Майорана. Майорановское нейтрино может проявить себя в слабых взаимодействиях и как частица с правой ориентацией. Можно предположить, что из-за гигантской массы порядка 1014-1016 ГэВ они рождались лишь в составе сверхгорячей материи, существовавшей в первые мгновения после космологической инфляции. Будучи крайне нестабильными, они почти мгновенно распадались, и из-за прогрессирующего охлаждения Вселенной больше не возникали.
  
  Теперь вернемся к обещанной модели происхождения асимметрии между материей и материей. Она утверждает, что сверхмассивные майорановские нейтрино, или просто майораны, превращались в другие частицы, в том числе, и в лептоны. Коль скоро в этих распадах не сохраняются лептонные числа, они могли порождать больше электронов, нежели позитронов. Аналогично, количество новорожденных легких нейтрино не обязано совпадать с количеством антинейтрино. В результате у Вселенной появилось ненулевое лептонное число, которое после полного распада всех майоранов практически не изменилось. Этот процесс называется лептогенезом.
  
  Этим дело не кончилось. Взаимодействие между оставшимися после распада майоранов лептонами сверхвысоких энергий приводило к появлению кварков и антикварков, которые ранее еще не существовали. Это уже был бариогенез - возникновение барионов, частиц, принимающих участие в сильном взаимодействии. Существуют правдоподобные сценарии, в которых дисбаланс лептонов и антилептонов обернулся избытком кварков над антикварками, барионов над антибарионами. А потом случилась Великая Аннигиляция, которая практически уничтожила античастицы. Именно так модель бариогенеза через лептогенез объясняет исчезновение антиматерии вскоре после Большого Взрыва.
  
  А может, дело в хиггсах?
  
  Теперь перейдем непосредственно к работе Кусенко, Пирса и Янга. Они полагают, что истоки асимметрии между материей и антиматерией надо искать в скалярном поле Хиггса, которое служит источником массы всех элементарных частиц. Квант этого поля, знаменитый бозон Хиггса, был открыт в 2012 году. По последним данным, его масса равна 125,02+/- 0,30 ГэВ. Величина самого хиггсовского поля была измерена еще раньше, она составляет 246 ГэВ. Основная идея Александра Кусенко и его соавторов состоит в том, что установленное значение массы хиггсовского бозона позволяет сделать весьма нетривиальные выводы о поведении хиггсовского поля вскоре после Большого Взрыва. Согласно их модели, на стадии инфляции поле Хиггса претерпевало сильнейшие квантовые флуктуации, которые привели к тому, что по ее завершении величина поля оказалась гораздо больше нынешнего значения. Затем оно стало уменьшаться и в конце концов остановилось на современном значении.
  
  Далее, согласно инфляционной космологии, начало рождения частиц пришлось как раз на завершение эпохи инфляции. Из модели Кусенко следует, что переменное поле Хиггса могло по-разному наделять массой частицы и античастицы. Сейчас массы тех и других считаются абсолютно равными, и эксперимент это подтверждает с очень высокой точностью. Однако нестабильное хиггсовское поле могло делать частицы чуть-чуть легче античастиц. Поэтому рождение частиц требовало меньших энергетических затрат и, следовательно, они возникали в больших количествах. Кусенко и его соавторы полагают, что именно так и возник избыток материи над антиматерией. Затем антиматерия аннигилировала, а материя, на наше счастье, осталась.
  
  В новой модели работают и майорановские нейтрино (хотя и не так, как в модели лептогенеза). Согласно ей, в сверхгорячей и сверхплотной постинфляционной Вселенной частицы и античастицы могли на очень короткое время превращаться в виртуальные майораны, которые вновь распадались с рождением частиц-наследников. Именно эти превращения и привели к дефициту античастиц. Если бы массы частиц и античастиц были строго одинаковы, то распад майоранов не создавал преимуществ ни для тех, ни для других. Напротив, если массы частиц уступают массам античастиц, то первые должны в этих процессах возникать с большей вероятностью, нежели вторые. Поскольку майоран - сам себе античастица, ему с точки зрения квантовых симметрий совершенно все равно, во что распадаться - в частицы или в античастицы. Однако энергетически ему все же легче дать начало именно частицам, в этом и фишка.
  
  В разговоре профессор Кусенко объяснил, что на стадии инфляции все скалярные поля (следовательно, и поле Хиггса) сильно флуктуируют. Результат таких флуктуаций зависит от вида потенциальной кривой. Поле с потенциалом большой крутизны за время флуктуационного скачка не будет сильно деформировано инфляцией и потому скорее всего вернется к прежнему значению. Напротив, поле с пологим потенциалом не успеет вовремя претерпеть обратный сдвиг - та же инфляция не позволит. Поэтому новая флуктуация уведет его еще дальше, и размах отклонений от минимума величины поля (технически, его вакуумного среднего) будет нарастать.
  
  Измерение массы бозона Хиггса, продолжал Кусенко, говорит о том, что потенциал хиггсовского поля вблизи его минимума был достаточно пологим. Отсюда как раз и следует, что к концу инфляции поле доходило до значений, сильно превышающих минимальное. Выражаясь поэтически, инфляция смогла забросить хиггсовское поле на такие высоты, куда оно иначе никак бы не попало.
  
  Однако инфляция в конце концов закончилась, и Вселенная перешла на спокойное расширение, когда ее размер стал возрастать не по экспоненте, а по степенному закону. Поле Хиггса скатилось вниз, причем достаточно быстро. Именно тогда оно произвело отбор по массе между частицами и античастицами, который стал причиной асимметрии. Виртуальные майорановские нейтрино при этом сработали в качестве механизма, обеспечившего численное преобладание частиц над античастицами. Этот механизм действовал только тогда, когда хиггсовское поле уходило от своего эфемерного максимума. Он перестал работать, как только поле Хиггса вернулось к стабильному минимуму, в котором оно пребывает и сегодня.
  
  Когда это случилось, плотность античастиц уже была чуть меньше плотности частиц - со всеми последствиями, описанными во втором разделе. Так что роль инфляции в возникновении асимметрии свелась к "забросу" хиггсовского поля вверх от минимума, а дальше уже сработала фундаментальная физика. По словам Кусенко, в этом утверждении и состоит суть новой модели. Он также отметил, что она работает при куда меньших ограничениях, нежели модель лептогенеза, где также фигурируют майорановские нейтрино, только не виртуальные, а физические.
  
  Такая вот теория. Она показалась редакции журнала Physical Review Letters достаточно интересной для того, чтобы специально обратить на нее внимание читателей. Популярное изложение теории уже появилось и в Scientific American. Дальнейшее - дело профессионального сообщества.
  
  Статья: https://scientificrussia.ru/articles/novaia-modelj-ischeznoveniia-antimaterii
 Ваша оценка:

РЕКЛАМА: популярное на LitNet.com  
  М.Эльденберт "Танцующая для дракона. Книга 3" (Любовное фэнтези) | | П.Працкевич "Код мира (2) - Между прошлым и новым" (Научная фантастика) | | П.Працкевич "Код мира (1) – От вора до Бога" (Научная фантастика) | | А.Емельянов "Последняя петля" (ЛитРПГ) | | М.Атаманов "Искажающие реальность-4" (ЛитРПГ) | | М.Атаманов "Искажающие реальность" (Боевая фантастика) | | М.Боталова "Беглянка в империи демонов" (Любовное фэнтези) | | Е.Сволота "Механическое Диво" (Киберпанк) | | Д.Деев "Я – другой 2" (ЛитРПГ) | | К.Вэй "Филант" (Боевая фантастика) | |

Хиты на ProdaMan.ru Офисные записки. КьязаВолчий лог. Сезон 1. Две судьбы. Делия РоссиШерлин. Гринь Анна��Дочь темного мага��. Анетта ПолитоваСнежный тайфун. Александр МихайловскийТайны уездного города Крачск. Сезон 1. Нефелим (Антонова Лидия)Счастье по рецепту. Наталья ( Zzika)Подари мне чешуйку. Гаврилова АннаЯ хочу тебя трогать. Виолетта РоманВедьма и ее мужчины. Лариса Чайка
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
И.Мартин "То,что делает меня" И.Шевченко "Осторожно,женское фэнтези!" С.Лысак "Характерник" Д.Смекалин "Лишний на Земле лишних" С.Давыдов "Один из Рода" В.Неклюдов "Дорогами миров" С.Бакшеев "Формула убийства" Т.Сотер "Птица в клетке" Б.Кригер "В бездне"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"