Материя против антиматерии

Позитрон - античастица электрона: он имеет ту же массу и равный по величине, но противоположный по знаку электрический заряд. Антипротон является соответствующей парой протона. Античастицы могут связываться друг с другом, поэтому антипротон и позитрон образуют антиводород.[2]

Здесь e - положительный элементарный заряд. Электрическая нейтральность не означает автоматически, что частица является своей собственной античастицей: у нейтрона и антинейтрона противоположные барионные числа.[3]

Космологи обычно описывают дисбаланс с помощью барионного числа. Протоны и нейтроны имеют значение +1; их античастицы — значение −1. Электроны не несут барионного числа. Вопрос в том, почему космический состав имеет положительный суммарный результат.[3]

Это примерно шесть избыточных барионов на каждые десять миллиардов фоновых фотонов, или один барион примерно на 1,7 миллиарда фотонов. Это отношение числовых плотностей, а не доля космической энергии, заключённая в материи, и не прямой подсчёт исходных пар барион–антибарион.[4]

Эти измерения показывают, сколько обычной материи сохранилось. Определение процесса, породившего избыток, — следующий шаг.

В достаточно горячей среде столкновения могут порождать пары частица–античастица. Обратная реакция снова может уничтожать пары. Например, два энергичных фотона могут создать электрон и позитрон, а электрон-позитронная пара может аннигилировать с образованием фотонов.[6]

Охлаждение затрудняет поддержание рождения массивных пар. Поэтому аннигиляция барионов и антибарионов истощает совпавшие популяции, сохраняя любой ранее существовавший чистый избыток барионов. Избыток сохраняется, потому что соответствующих античастиц слишком мало, чтобы его устранить.[7]

Аннигиляция изменяет форму, в которой переносится энергия. Её продукты зависят от частиц и энергии столкновения; аннигиляция барионов может порождать пионы, распады которых приводят к появлению фотонов, электронов, позитронов и нейтрино. Продукты реакции уносят энергию.[8]

Представим, что мы описываем взаимодействие, а затем выполняем два преобразования. C, зарядовое сопряжение, заменяет частицы античастицами и наоборот. P, чётность, обращает пространственные координаты. Если преобразованный процесс имеет в точности те же вероятности, взаимодействие подчиняется CP-симметрии.[10]

Природа иногда нарушает эту симметрию. Первые свидетельства были получены при изучении распадов нейтральных каонов в 1964 году. Позднее измерения подтвердили CP-нарушение в других кварковых системах. Стандартная модель описывает смешивание кварков с помощью матрицы CKM, которая содержит фазу, способную порождать такие асимметрии.[10]

Суть заключается в различии между конкретными процессами. CP-нарушение может привести к тому, что канал распада будет происходить с вероятностью, отличной от вероятности его CP-сопряжённого канала. Это не означает, что каждая античастица исчезает быстрее своего партнёра.[10]

В 1967 году Андрей Сахаров сформулировал ключевые требования для динамического бариогенеза. Они применимы при создании избытка из изначально симметричного состояния в рамках обычной теории, учитывающей CPT-симметрию, которая объединяет обмен частицами и античастицами, пространственную инверсию и обращение времени.[11]

1. Изменение барионного числа. Если суммарное барионное число строго сохраняется и изначально равно нулю, оно останется нулевым. Механизм должен допускать изменение этого количества.[11]
2. Нарушение симметрий C и CP. Реакции должны различать процессы образования материи и антиматерии, чтобы их вклады не сокращали друг друга полностью.[11]
3. Выйти из состояния теплового равновесия. Соответствующие реакции должны выйти из равновесия таким образом, чтобы избыток мог возникнуть и сохраниться. Одного расширения Вселенной для этого недостаточно; важны скорости реакций.[11]

Успешная модель также должна не допустить, чтобы последующие реакции стёрли её результат. Такая утрата возникшей асимметрии называется вымыванием. И создание избытка, и его сохранение являются частью объяснения.[13]

Следующие механизмы рассматривают одну и ту же общую проблему в разных физических условиях. Каждый из них предполагает дополнительные допущения о частицах, взаимодействиях или тепловой истории Вселенной.

Электрослабый бариогенез: избыток на движущихся границах

При обычном электрослабом бариогенезе переход первого рода создавал бы расширяющиеся пузыри новой фазы поля Хиггса. Взаимодействия с нарушением CP-симметрии вблизи их границ могли бы смещать соотношение популяций частиц, тогда как электрослабые процессы изменяли бы барионное число. Затем избыток должен попасть в область, где он защищён от вымывания. Эти пузыри представляют собой один из возможных сценариев.[9]

При измеренной массе бозона Хиггса расчёты на решётке предсказывают плавный кроссовер в рамках Стандартной модели. Поэтому для обычного пузырькового механизма нужна дополнительная физика, например дополнительные скалярные поля, изменяющие этот переход.[14]

Лептогенез: начать с другого семейства частиц

Лептогенез начинается с асимметрии, связанной с лептонами - семейством, включающим электроны и нейтрино. В одном из влиятельных вариантов гипотетические тяжёлые майорановские нейтрино распадаются вне равновесия с разными вероятностями для частиц и античастиц. Их взаимодействия также могут помочь объяснить, почему знакомые нам нейтрино имеют столь малые массы, посредством механизма, называемого качелями. Впоследствии электрослабые процессы перераспределяют часть возникшей асимметрии в барионное число.[15]

Бариогенез в рамках великого объединения: гораздо более тяжёлые частицы

Некоторые теории, объединяющие сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия, вводят очень тяжёлые частицы, распады которых могут нарушать сохранение барионного числа. Распады вне равновесия с нарушением CP-симметрии могли бы создать избыток при высоких энергиях. Сохранится ли он после последующих электрослабых процессов - важное ограничение, а необходимые частицы и тепловая история Вселенной остаются гипотетическими.[13]

Это примеры, а не исчерпывающий список. Их общая цель - рассчитать наблюдаемый избыток на основе непротиворечивой физической истории.

Контекст исследований: сентябрь 2026 года. Разные эксперименты проверяют разные составляющие. Их результаты становятся наиболее полезными, когда теория связывает их с одной и той же историей ранней Вселенной.

Проверка свойств самой антиматерии

BASE с чрезвычайной точностью сравнил отношения заряда к массе у захваченных протонов и антипротонов и обнаружил согласие с CPT-симметрией. Равенство свойств частиц совместимо с неравными космическими популяциями: оно не определяет, сколько частиц каждого типа произвела или сохранила ранняя Вселенная.[21]

ALPHA наблюдала падение антиводорода к Земле. Его ускорение соответствовало обычному гравитационному ускорению в пределах погрешности измерения. Это проверяет реакцию антиматерии на гравитацию, но не предлагает механизма бариогенеза.[22]

Убедительное объяснение должно связать несколько результатов: источник изменения барионного числа, подходящее нарушение симметрии, жизнеспособную термическую историю и избыток, который сохраняется. Оно должно воспроизводить наблюдаемую распространённость и одновременно соответствовать лабораторным ограничениям. Обнаружение одного многообещающего компонента стало бы шагом к более масштабной проверке.

Количество сохранившейся материи - это измеряемая характеристика Вселенной. Её происхождение остаётся нерешённой физической проблемой. Поэтому эта тема необычайно важна: наблюдения древнего света и первичных ядер могут подвергнуть проверке теории, испытанные в распадах частиц, подземных детекторах и ловушках для антиядер.

Великое начало

1. Сингулярность и момент творения
2. Квантовые флуктуации и инфляция
3. Нуклеосинтез Большого взрыва
4. Материя и антиматерия · Вы здесь
5. Охлаждение и образование фундаментальных частиц
6. Реликтовое микроволновое излучение (CMB)
7. Тёмная материя
8. Тёмная энергия
9. Рекомбинация и первые атомы
10. Тёмные века и первые структуры
11. Реионизация: конец тёмных веков