Зарядова симетрія. Антиматерія

Зарядова симетрія

При слабкій ядерній взаємодії порушується не тільки Р-симетрія парності, але й зарядова С-симетрія та комбінована СР-симетрія. 

Операція зарядового спряження – це операція заміни знаків усіх зарядів на протилежні. Ця операція переводить частинку в античастинку і навпаки.

Якийсь процес за участю частинок, то при заміні їх на античастинки (зарядове спряження), процес також існує і відбувається з тією ж ймовірністю. Тобто, зарядова симетрія передбачає, що експерименти, виконані з частинками та античастинками, дадуть ідентичний результат. Наприклад, для електромагнітної взаємодії та сильної ядерної взаємодії – заміна всіх частинок на античастинки нічого не змінює у процесах. Сильна ядерна взаємодія та електромагнітна взаємодія інваріантні для багатьох перетворень, у тому числі для С-, Р- і Т-спряження. Для цих взаємодій виконуються всі закони збереження.

Розглянемо інваріантність закону Кулона. Закон Кулона описує взаємодію між електричними зарядами, що перебувають у спокої. Два нерухомі електричні заряди відштовхують або притягують один одного з силою, пропорційною добутку величин зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:

F – сила взаємодії між зарядами, r – відстань між зарядами, ε – діелектрична проникливість середи, ε₀ – діелектрична проникливість вакууму. Якщо заряди однакові за знаком, то вони відштовхуються один від одного, а якщо протилежні, то притягуються.

Отже, якщо змінити знаки зарядів -q₁ і -q₂, на протилежні  і, то сила взаємодії між ними не змінюється, так як q₁∙q₂=-q₁∙(-q₂)=q₁∙q₂. Рівняння Максвела теж інваріантні до зарядового перетворення. Більш того, всі рівняння електромагнітизма інваріантні не тільки перетворення заряду на протилежний, але також до перетворення часу і координат на протилежні.

На малюнку 1 можна побачити, що зміна знаку рухливих зарядів в провіднику і зміна полярності джерела нічого не змінює в русі носіїв заряду. Сила електричного струму теж не зміниться. 

Порушення зарядової інваріантності в слабкій взаємодії

Однак, слабка ядерна взаємодія чутлива до спряженості координат і заряду. У ній порушується не тільки Р-симетрія, але й С- та комбінована СР-симетрія. Так С- і Р-симетрії відсутні у процесах за участю нейтрино та антинейтрино. У природі існують лише лівоспіральні нейтрино та правоспіральні антинейтрино. Якщо кожну з цих частинок піддати операції зарядового спряження, то вони перейдуть у неіснуючі об'єкти. 

Розглянемо це більш детально. У найпростішому прикладі беруть участь нейтрино. Коли у фізичному процесі утворюється нейтрино, то він завжди створюється за допомоги слабкої ядерної взаємодії. При виникненні він завжди «обертається» проти годинникової стрілки з погляду спостерігача, який знаходиться в точці, звідки він виходить (має від’ємну або ліву спіральність). Точніше, у них є проєкція спіну певної направленості. Якщо проєкція спіну на напрямок імпульсу частинки від'ємна, то маємо від’ємну спіральність.

Нейтрино, що з’являється внаслідок слабкої ядерної взаємодії, ніколи не має праву спіральність, а антинейтрино ніколи не має ліву спіральність.

Отже, коли додатний заряджений піон (адрон, що складається з верхнього кварку, антинижнього кварку, багатьох глюонів і пар кварк/антикварк) розпадається на антимюон і нейтрино, то нейтрино завжди мають ліву спіральність і ніколи не мають праву. Це порушує Р-симетрію. А коли від’ємний заряджений піон розпадається на мюон та антинейтрино, то антинейтрино завжди має праву спіральність. Ця різниця в процесах, що включає від’ємний і додатний заряджені піони, порушує С-симетрію.Таким чином, у слабких взаємодіях порушуються одночасно інваріантність до P- й C-спряженості. Хоча порушення Р- і С-симетрій стали величезною несподіванкою в 1950-х роках, сьогодні вони є стандартною частиною фізики частинок. 

Гіпотеза про антиречовину

Операція зарядової спряженості переводить частинку в античастинку. Однак, пропоную розглянути антиречовину з більшою увагою.

У другій половині ХІХ століття вчені намагалися створити узагальнюючу теорію будови матерії. Тоді була концепція ефіру, яка стверджувала, що існують найдрібніші частинки, які наповнюють все існуюче і передають взаємодії. Щоб пояснити, як з ефірних частинок формується матерія, англійський математик Карл Пірсон у книзі «Граматика науки» (The Grammar of Science, 1892) висунув гіпотезу, що ефір – продукт вищого, четвертого виміру, а у нашому тривимірному просторі проявляється як поєднання "Ефірних струменів". Карл Пірсон не зміг відповісти, звідки й куди течуть ці струмені, але припустив, що напрямок їм задає взаємодія матерії нашого тривимірного світу і протилежної до нас «від’ємної» матерії, прихованої в четвертому вимірі. 

У 1898 році, невдовзі після відкриття електрона, ідею «від’ємної» матерії спробував розвинути англійський фізик Артур Шустер. Він був прихильником ідеї глобальної симетрії, на основі якої будував свої міркування. Як відомо, електрон — це від’ємна заряджена субатомна частка, і фізик припустив, що має існувати і його «симетричний» аналог із додатним зарядом. З ідеї Артура Шустера випливала гіпотеза про існування «антиатомів» та «антиматерії».

На початку XX століття теорія ефіру, покликана описати світ, не підтверджувалася експериментами. На допомогу прийшла квантова механіка, яка з'явилася в 1920-х. Паралельно сформувалася спеціальна теорія відносності (релятивістська механіка), яка описує ефекти, що виявляються при дуже високих швидкостях. У якийсь момент вчені вирішили «схрестити» два граничні випадки: великі швидкості (релятивістську механіку) та субатомні відстані (квантову механіку). 

Теорія електрона Поля Дірака

У 1928 році Поль Дірак записав релятивістське рівняння для електрона, яке одночасно задовольняло вимогам і квантової механіки та теорії відносності [3]. З цього рівняння Дірак отримав важливе дивовижне слідство – електрони можуть мати як додатну, так й від’ємну енергію. Так як система повинна прямувати в стани з найменшою енергією, то всі електрони, за отриманим Полем Діраком розв’язком, повинні були впасти у від’ємну зону, яка необмежена знизу. Всесвіт не повинен був існувати, що не відповідає дійсності. 

Тоді Поль Дірак почав описувати більш складнішу систему. Він наклав на досліджену систему обмеження принцип Паулі. Відповідно до принципу Паулі, два ферміони не можуть одночасно перебувати в однаковому квантовому стані. 

)Ферміон – це частинка з напівцілим спином. До ферміонів відноситься, наприклад, електрон. На відміну від ферміонів, бозони – частинки з цілим спіном, не мають такої властивості. До бозонів, наприклад, відноситься фотон. Бозони можуть накопичуватися в просторі, а ферміони - ні, про що доводять конденсати Бозе-Ейнштейна. Ви можете бачити на фото 5 ліворуч, що  хмара складається з бозонів, а праворуч – з ферміонів. При зниженні температури бозони збираються разом, а ферміони залишаються на відстані один від одного за принципом Паулі. 

Море Дірака

З урахуванням принципу Паулі, з рівняння Дірака випливав ще один цікавий висновок: нульових значень енергії бути не може, між зонами «додатних» та «від’ємних» енергій існує проміжок, в якому жоден електрон перебувати не може. У 1930 Дірак вирішує проблему від’ємної енергії, представляючи частинки в зоні з від’ємною енергією – дірками [6]. 

«Дірка має бути новим типом частинки, невідомої ще експериментальної фізики: у неї має бути та ж маса, що й у електрона, а заряд - протилежний заряду електрона... Ми можемо отримати їх експериментально у високому вакуумі, де вони будуть цілком стабільні і доступні для вивчення», - говорив Поль Дірак.

На малюнку зображено ілюстрацію розв’язку рівняння Дірака для вільної частинки. Він має додатний енергетичний спектр, починаючи з mc². Ви не можете мати частинку з нижчою енергією. Але також має негативний енергетичний спектр нижче mc². Інтерпретація станів додатної енергії є природною – кожен стан описує частинку, що рухається з енергії вище mc².

Якщо стани з від’ємною енергією реальні, то, за принципом Паулі, усі переходи зі звичайного стану туди заборонені, так як вони вже зайняті. Вільних місць, які може зайняти електрон, немає. Заповнених станів з від’ємною енергією має бути нескінченно багато, вважав Дірак. Такий стан і є власне вакуум. Вакуум ніяк не проявляє себе. Але якщо впливати на вакуум фотонами з великою енергією, достатньою для подолання електроном забороненого енергетичного проміжку, то можна «вибити» електрон з «вакуумного моря». Тоді він з’явиться в зоні з додатної енергії, а у «вакуумному морі»  від’ємних енергій з’являється дірка. Додатна дірка повинна мати такі ж самі властивості, що й електрон, але мати додатний заряд. Оскільки будь-який сусідній електрон у «вакуумному морі» може тепер, не порушуючи принцип Паулі, перейти на місце цієї дірки, вона ніби починає рухатися і, отже, її можна буде зареєструвати. Частинка і античастинка завжди з’являються разом.

На цей час було відкрито тільки електрон і протон.

Експериментальне відкриття античастинок

На цей час було відкрито тільки електрон і протон.

У 1931 році, вивчаючи космічні промені, Карл Андерсон виявляє додатно заряджений електрон, пізніше названий позитроном. Він здобуває Нобелівську премію 1936 року.

У 1955 році, використовуючи прискорювач в Університеті Берклі, Еміліо Сегре та Оуен Чемберлен відкрили антипротон. Вони одержують Нобелівську премію 1959 року. Пізніше фізики дізнаються, що протон містить кварки, а антипротон складається з антикварків.

  Антинейтрон відкритий у 1956 році в протон-антипротонних зіткненнях на прискорювачі Беватрон у лабораторії LBNL Брюсом Корком.

У 1965 група під керівництвом Л. Ледермана спостерігала події утворення ядер антидейтерію, але антидейтерій не було виділено.

 У 1970—1974 роках група під керівництвом Ю. Д. Прокошкина зареєструвала ядра антигелію-3 та антидейтронів.

У 2001 році в ЦЕРНі був синтезований атом антиводню, що складається з позитрону, антипротону й антинетрону. В останні роки антиводень був отриманий у значних кількостях і розпочато детальне вивчення його властивостей.

2010 року фізикам вперше вдалося короткочасно зловити в пастку атоми антиречовини. Для цього охолоджували хмару, що містить близько 30 тисяч антипротонів, до температури 200 кельвінів (мінус 73,15 градусів Цельсія) і хмару з 2 мільйонів позитронів до температури 40К (мінус 233,15 градусів Цельсія). Загалом було спіймано 38 атомів, які утримувалися 172 мілісекунди.

У травні 2011 року результати попереднього експерименту вдалося значно покращити – цього разу було спіймано 309 антипротонів, які утримувалися 1000 секунд.

Висновки