Важить Чи антиматерія більше матерії?

В чому полягають відмінності впливу гравітації на матерію і антиматерію? Фізики з Каліфорнійського університету (м. Ріверсайд) мають намір отримати відповідь на це питання. У разі успіху, це пояснить чому у Всесвіті немає антиматерії і чому вона розширюється з дедалі збільшується швидкістю.

В лабораторії дослідники зробили перший крок на шляху до виміру вільного падіння “позитрония”, який складається з позитрона і електрона. Позитрон – це антиматеріальна версія електрона. Вона володіє ідентичною електрону масою, але заряджена позитивно. Коли позитрон і електрон зустрічають одне одного, то відбувається їх взаємна анігіляція з виділенням двох гамма-променів.

Фізікам Девіду Кассіді і Аллену Мілсу вперше вдалося відокремити позитрон від електрона і створити з них позитроній, час існування якого достатньо для вимірювання впливу на нього гравітації.

“За допомогою лазерів ми підвищуємо енергію позитрония до ридберговских стану, для якого характерне послаблення зв’язків атома, коли електрон і позитрон віддаляються один від одного “, – сказав Кессіді. “Це запобігає їх взаємне знищення на деякий проміжок часу, протягом якого з ними можна проводити експерименти”.

Рідберговскіе атоми – це атоми в високозбуджених стані. Вони цікаві фізикам тим, що багато властивостей атомів в цьому стані починають проявлятися яскравіше.

В такому стані, тривалість існування позитрония ставати в 10-100 разів більше.

“Але цього недостатньо для досягнення наших цілей”, – сказав Кессіді. “У найближчому майбутньому, ми застосуємо техніку, яка надає високим момент імпульсу атомам Ридберга. Завдяки цьому, вони будуть менше схильні розпаду і зможуть існувати аж до 10 мілісекунд або в 10 000 разів довше. Це дозволить ближче познайомитися з ними “.

Оні створять промінь з цих сверхвозбужденних атомів, щоб вивчити вплив на нього гравітації.

“Ми вивчимо відхилення променя як функцію від часу польоту, щоб дізнатися, викривляє чи його гравітація”, – пояснив Кессіді. “Якщо ми виявимо, що поведінка антиматерії відрізняється від матерії, то це шокує світ фізики. На даний момент вважається, що матерія й антиматерія поводяться однаково, за винятком кількох властивостей, таких як заряд. Ця передумова послужила основою теорії, згідно з якою в ході Великого вибуху утворилося рівну кількість матерії і антиматерії. Але фізики не спостерігають великої кількості антиматерії у Всесвіті, що змусило їх до пошуку відмінностей в їх поведінці, для пояснення цього феномена “.

Кессіді і Міллс продовжать проведення експериментів з гравітацією цим летом.

Орігінал (на англ. Мовою): Physorg

Хитрість Бога. Фізики, можливо, розгадали одну з найбільших загадок всесвіту

У сучасній фізиці прийнято вважати, що після Великого вибуху матерія і антиматерія у Всесвіті існували в рівних кількостях. Однак сьогодні Всесвіт заповнений матерією. Куди поділася антиматерія? Чому взагалі Всесвіт існує, адже теоретично матерія і антиматерія повинні були одразу ж знищити одна одну?

Питання асиметрії матерії і антиматерії незмінно присутнє в списку найголовніших загадок сучасної науки. Більше того, це чи не головна проблема так званої Стандартної моделі фізики, яку не можна вважати всеосяжною, поки не буде дана відповідь на запитання про те, де вся Антиматерія.

І ось, схоже, серія експериментів на Великому адронному колайдері здатна дати відповідь на головне запитання сучасної фізики. За результатами дослідження, які були опубліковані в авторитетному журналі Nature, Всесвіт завбачливо наділив матерію й антиматерію здатністю по-різному реагувати на закони фізики. Або ж – передбачив різні закони для матерії й антиматерії.

Матерія й антиматерія

Сучасна фізика керується припущенням про те, що кожній частинці звичайної матерії «протистоїть» частинка антиматерії. Іншими словами, на кожен негативно заряджений електрон, десь існує позитивно заряджений. Кожному атому водню відповідає атом антиводню.

У тому випадку, якщо античастинка зіткнеться зі звичайною частинкою, вони знищать одна одну, вивільнивши енергію у вигляді світла.

Біда в тому, що згідно зі Стандартною моделлю після Великого вибуху у Всесвіті, що зароджувався, мала утворитися однакова кількість баріонної (тобто такої, що складається з елементарних частинок — протонів, нейтронів і т. д.) матерії та баріонної антиматерії.

Баріонна матерія переважає у Всесвіті й сьогодні. А ось куди поділася антиматерія?

На це запитання дає відповіді дослідження фізиків з CERN, проведене з допомогою детектора LHCb.

Дослідження дозволило встановити можливі відмінності між матерією й антиматерією, і це дає уявлення про те, чому в сучасному Всесвіті антиматерії майже немає.

Міжнародна група вчених на чолі з італійським фізиком Нікола Нері з Міланського університету, проаналізувала дані, зібрані детектором під час робіт Великого адронного колайдера до 2015 року.

Вчені звернули увагу на аномалії в розпадах так званих лямбда-баріонів – надважких частинок, що складаються з двох легких кварків і одного важкого кварка.

З’ясувалося, що ці частинки іноді розпадаються на чотири частини – три пі-мезони і один протон, а іноді (але рідше) – на два каони, пі-мезон і протон.

По ідеї, приблизно такий же характер розпадів повинен спостерігатися й у античастинок, тобто в анти-лямбда-баріонів. Однак, дані спостережень показують, що статистика розпадів античастинок не збігається в середньому на 10-20%.

Дальнейшие эксперименты с детектором позволят установить, действительно ли для материи и антиматерии во Вселенной действуют разные законы физики Фото:

Кажучи науковою мовою, порушення CP-інваріантності в розпадах баріонів — найзначніший досі знайдений прояв асиметрії між матерією й антиматерією серед частинок, що складаються з трьох кварків.

CP-інваріантність передбачає комбіновану симетрію, тобто дзеркальні відображення в поведінці частинок і античастинок. Порушення цього порядку означає наявність у природі принципових відмінностей між матерією й антиматерією.

За словами Нері, зафіксовано понад 6 тис. розпадів баріонів за такими сценаріями, а рівень достовірності спостережень вже становить 3,3 сигма (одиниці стандартного відхилення). У фізиці елементарних частинок «відкриттям» називаються ті спостереження, в яких рівень достовірності спостережень досягає 5 сигма. Однак, отриманий результат є серйозним натяком на те, що для антиматерії у Всесвіті діють дещо інші закони фізики, ніж для звичайної матерії.

На черзі — аналіз спостережень за експериментами на Великому адронному колайдері протягом 2016 року. Якщо науковці підтвердять вже наявні дані, а ймовірність цього дуже висока, можна буде говорити про одне з найбільших відкриттів в історії науки.

Зокрема, в Стандартну модель потрібно внести суттєві корективи, та й уявлення про матерію й антиматерію та Всесвіт в цілому доведеться переглянути.

За словами Нері, роботи на детекторі частинок продовжаться після його оновлення в 2018 році. Це дозволить аналізувати асиметрію матерії й антиматерії в інших важких баріонах.

Як влаштований Всесвіт

Пошуки відповіді на запитання про асиметрію матерії й антиматерії ведуться вже півстоліття.

До розгадки йшли двома різними шляхами. Перший з них включав моделювання умов, що існували під час Великого Вибуху, на різноманітних прискорювачах частинок. Другий шлях передбачав порівняння фундаментальних властивостей матерії й антиматерії.

Обидва шляхи довгий час не давали результатів і не дозволяли пояснити феномен «антиматерії, що випарувалася». У зв’язку з цим багато фізиків стали шукати відповіді в екстравагантних теоріях про розширення Всесвіту і таємничі властивості бозона Хіггса, який також називають “часткою Бога”.

Експеримент групи Нері може бути ключем до іншого пояснення феномену. Він дає підстави припустити, що для матерії й антиматерії закони фізики діють по-різному.

Результати дослідження не можна назвати відкриттям поки вони не підтверджені ретельними статистичними аналізами, констатує оглядач Кріс, але вони виглядають дуже багатообіцяюче.