Antimaterie ist in jeder Hinsicht wie eine Substanz. Sie wurden gleichzeitig und aus einer Hand gebildet. Infolgedessen gibt es viele und praktisch keine. Dafür muss es eine Erklärung geben.
Alles, mit dem wir in unserem Leben in Kontakt kommen, besteht aus Materie. Die Tasse, die wir in der Hand halten, besteht aus Molekülen, Molekülen - Atomen, Atomen, entgegen ihrem Namen ("Atom" bedeutet aus dem Griechischen übersetzt "unteilbar") - aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Die letzten beiden werden von Wissenschaftlern "Baryonen" genannt. Sie können weiter unterteilt werden, in Quarks und vielleicht sogar noch weiter, aber jetzt werden wir darauf eingehen. Zusammen bilden sie Materie.
Wie alle unsere Leser wissen, hat Materie einen Antipoden - Antimaterie. Wenn sie in Kontakt kommen, vernichten sie sich mit der Freisetzung einer sehr großen Energie - sie vernichten. Nach den Berechnungen von Physikern kann ein Stück Antimaterie von der Größe eines Ziegels, das auf die Erde trifft, einen Effekt verursachen, der der Explosion einer Wasserstoffbombe ähnelt. Im Übrigen sind die Antipoden ähnlich: Antimaterie hat Masse, die Gesetze der Physik gelten vollständig für sie, aber ihre elektrische Ladung ist entgegengesetzt. Für ein Antiproton ist es negativ und für ein Positron (Antielektron) ist es positiv. Und auch Antimaterie kommt in der Realität um uns herum praktisch nicht vor.
Die Suche nach Antimaterie
Oder ist es irgendwo dort? Eine solche Annahme ist nicht unmöglich, aber wir leben in der Welt, obwohl wir unseren Antipoden nicht die Hand geben können. Es ist durchaus möglich, dass sie auch irgendwo leben.
Wahrscheinlich bestehen alle heute beobachteten Galaxien aus gewöhnlicher Materie. Andernfalls wären ihre Grenzen eine Zone fast kontinuierlicher Vernichtung mit der umgebenden Materie, die von weitem sichtbar wäre. Erdobservatorien würden Energiequanten registrieren, die während der Vernichtung gebildet wurden. Bis dies passiert.
Der Nachweis spürbarer Mengen an Antimaterie im Universum könnte die Entdeckung irgendwo im Weltraum sein (auf der Erde ist es aufgrund der hohen Dichte der Materie eindeutig nutzlos, nach Antiheliumkernen zu suchen). Zwei Antiprotonen, zwei Antineutrons. Die Antiteilchen, aus denen ein solcher Kern besteht, entstehen regelmäßig bei Kollisionen energiereicher Teilchen in Erdbeschleunigern und natürlich, wenn Materie von kosmischen Strahlen bombardiert wird. Ihre Entdeckung sagt uns nichts. Antihelium kann jedoch auf die gleiche Weise gebildet werden, wenn vier seiner Partikel gleichzeitig an einem Ort geboren werden. Dies kann nicht als völlig unmöglich bezeichnet werden, aber ein solches Ereignis im gesamten Universum ereignet sich etwa alle fünfzehn Milliarden Jahre, was mit der Zeit seiner Existenz durchaus vergleichbar ist.
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Vorbereitung zum Starten eines Ballons mit einem Raumpartikeldetektor als Teil des BESS-Experiments. Der Detektor ist im Vordergrund sichtbar und wiegt 3 Tonnen. / & Kopieren; i.wp-b.com
Daher kann der Nachweis von Antihelium durchaus als Beweis dafür angesehen werden, dass irgendwo in den Tiefen des Weltraums ein Stück Antimaterie von anständiger Größe schwebt, wenn nicht als Begrüßung durch die Antipoden. Also flog es von dort.
Leider haben wiederholte Versuche, in den oberen Schichten der Erdatmosphäre nach Antihelium zu suchen oder sich ihm zu nähern, noch keinen Erfolg gebracht. Dies ist natürlich der Fall, wenn "das Fehlen von Schießpulverspuren an den Händen nichts beweist". Es kann gut sein, dass es nur sehr weit zu fliegen war (in der Größenordnung von Milliarden von Lichtjahren), und es ist noch schwieriger, in einen kleinen Detektor auf einem kleinen Planeten zu gelangen. Und wenn der Detektor empfindlicher (und teurer) wäre, wären unsere Erfolgschancen sicher höher.
Anti-Sterne würden, wenn sie zufällig in der Natur wären, im Verlauf thermonuklearer Reaktionen den gleichen Fluss von Antineutrinos erzeugen wie gewöhnliche Sterne - einen Fluss ihrer Antipoden. Die gleichen Antineutrinos sollten bei Antisupernova-Explosionen gebildet werden. Bisher wurde weder das eine noch das andere entdeckt, aber es sollte beachtet werden, dass die Neutrinoastronomie im Allgemeinen ihre ersten Schritte unternimmt.
Detektor Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Kanada. / & Kopieren; squarespace.com
Auf jeden Fall haben wir noch keine verlässlichen Informationen über die Existenz nennenswerter Mengen an Antimaterie im Universum.
Das ist gut und schlecht zugleich. Es ist schlecht, weil nach modernen Konzepten in den ersten Augenblicken nach dem Urknall sowohl Materie als auch Antimaterie gebildet wurden. Anschließend vernichteten sie, was zu einer Reliktkosmosstrahlung führte. Die Anzahl der Photonen darin ist sehr groß, sie ist ungefähr eine Milliarde Mal größer als die Anzahl der Baryonen (d. H. Protonen und Neutronen) im Universum. Mit anderen Worten, irgendwann, zu Beginn der Zeit, stellte sich heraus, dass die Substanz im Universum ein Milliardstel mehr als Antimaterie war. Dann verschwand alles "Überflüssige", wurde vernichtet und ein milliardster Anteil blieb übrig. Das Ergebnis ist die sogenannte Baryonenasymmetrie in der Fachliteratur.
Für Physiker ist Ungleichgewicht ein Problem, weil es irgendwie erklärt werden muss. Zumindest bei Objekten, die sich im Übrigen symmetrisch verhalten.
Und für uns (einschließlich der Physiker) ist dies gut, denn mit den gleichen Mengen an Materie und Antimaterie würde eine vollständige Vernichtung stattfinden, das Universum wäre leer und es würde niemanden geben, der Fragen stellt.
Sacharows Bedingungen
Die Wissenschaftler erkannten irgendwann Mitte des 20. Jahrhunderts die Existenz eines großen kosmologischen Problems. Die Bedingungen, unter denen das Universum so wird, wie wir es sehen, wurden 1967 von Andrei Sacharow formuliert und sind seitdem ein "gemeinsamer Ort" der thematischen Literatur, zumindest in russischer und englischer Sprache. In einer stark vereinfachten Form sehen sie so aus.
Erstens funktionieren die Gesetze der Physik unter bestimmten Bedingungen, die wahrscheinlich im frühen Universum existierten, für Materie und Antimaterie immer noch unterschiedlich.
Zweitens kann in diesem Fall die Baryonenzahl nicht erhalten bleiben, d. H. Die Anzahl der Baryonen nach der Reaktion ist nicht gleich der vor ihr.
Drittens muss der Prozess explosionsartig ablaufen, dh er muss nicht im Gleichgewicht sein. Dies ist wichtig, da sich die Konzentrationen der Substanzen im Gleichgewicht tendenziell ausgleichen und wir etwas anderes bekommen müssen.
Sacharow, Ende der 1960er Jahre. / & Kopieren; thematicnews.com
Hier endet der allgemein akzeptierte Teil der Erklärung, und dann herrschen in einem halben Jahrhundert Hypothesen. Die derzeit maßgeblichste verbindet den Vorfall mit der elektroschwachen Wechselwirkung. Schauen wir sie uns genauer an.
Kochraum
Um zu erklären, was mit unserer Sache passiert ist, müssen wir unsere Vorstellungskraft anstrengen und uns vorstellen, dass es im Universum ein bestimmtes Feld gibt. Wir wissen noch nichts über seine Existenz und seine Eigenschaften, außer dass es mit der Verteilung von Materie und Antimaterie im Raum verbunden ist und in gewissem Maße der Temperatur ähnelt, an die wir gewöhnt sind, insbesondere kann es größere und kleinere Werte annehmen, bis zu einem bestimmten Grad, der verglichen werden kann Siedepunkt.
Die Materie im Universum befindet sich zunächst in einem gemischten Zustand. Es ist sehr "heiß" - die Anführungszeichen könnten hier weggelassen werden, da die übliche Temperatur ebenfalls sehr hoch ist, aber wir sprechen über das imaginäre Analogon. Dieses Analogon "kocht" - der Maximalwert.
Wenn sich der Raum ausdehnt, beginnen „Tropfen“aus dem anfänglichen „Dampf“zu kondensieren, in dem es „kühler“ist. Bisher sieht alles genauso aus wie bei Wasser - wenn sich der überhitzte Dampf in einem Gefäß befindet, dessen Volumen schnell genug zunimmt, erfolgt eine adiabatische Abkühlung. Wenn es stark genug ist, fällt ein Teil des Wassers als Flüssigkeit heraus.
Aus Dampf kondensiertes Wasser. / & Kopieren; 3.bp.blogspot.com
Ähnliches passiert mit Materie im Raum. Wenn das Volumen des Universums wächst, nehmen Anzahl und Größe der "Tropfen" zu. Aber dann beginnt etwas, das keine Analogien in der Welt hat, an die wir gewöhnt sind.
Die Bedingungen für das Eindringen von Partikeln und Antiteilchen in die "Tropfen" sind nicht dieselben, es ist für Partikel etwas einfacher, dies zu tun. Infolgedessen wird die anfängliche Gleichheit der Konzentrationen verletzt, in der kondensierten "Flüssigkeit" befindet sich etwas mehr Substanz und in der "Siedephase" - ihrem Antipoden. In diesem Fall bleibt die Gesamtzahl der Baryonen unverändert.
Und dann, in der "Siedephase", beginnen Quanteneffekte wechselwirkender elektroschwacher Felder zu wirken, was anscheinend nicht die Anzahl der Baryonen ändern sollte, sondern in Wirklichkeit die Anzahl der Partikel und Antiteilchen ausgleichen sollte. Genau genommen findet dieser Prozess auch in „Tropfen“statt, aber dort ist er weniger effektiv. Somit wird die Gesamtzahl der Antiteilchen reduziert. Dies ist kurz geschrieben und natürlich sehr vereinfacht, tatsächlich ist alles viel interessanter, aber wir werden jetzt nicht auf die tiefe Theorie eingehen.
Zwei Effekte erweisen sich als Schlüssel zur Erklärung der Situation. Die Quantenanomalie elektroschwacher Wechselwirkungen ist eine beobachtete Tatsache, die bereits 1976 entdeckt wurde. Der Unterschied in der Wahrscheinlichkeit, dass Partikel in die Kondensationszone eindringen, ist eine berechnete Tatsache und daher hypothetisch. Das Feld selbst, das "kocht" und dann abkühlt, wird noch nicht erkannt. Bei der Erstellung der Theorie wurde angenommen, dass dies das Higgs-Feld ist, aber nach der Entdeckung des berühmten Bosons stellte sich heraus, dass es nichts damit zu tun hatte. Es ist durchaus möglich, dass seine Öffnung noch in den Flügeln wartet. Oder vielleicht auch nicht - und dann müssen Kosmologen andere Erklärungen erfinden. Das Universum hat fünfzehn Milliarden Jahre darauf gewartet, es kann noch einen warten.
Sergey Sysoev
