Miért létezünk? Ez talán a legmélyebb kérdés, amely valószínűleg teljesen kívül esik a részecskefizika hatókörén. De a CERN-en lévő nagy hadron ütközővel végzett új kísérletünk közelebb hozott minket a válaszhoz. Ahhoz, hogy megértsük, miért létezünk, először el kell mennünk 13,8 milliárd évvel ezelőtt, a Nagyrobbanás idején. Ez az esemény ugyanolyan mennyiségű anyagot hozott létre, amelyből készítettünk, és antianyagot.
Úgy gondolják, hogy minden részecskének van egy antianyag-partnere, amely szinte azonos azzal, de ellentétes töltéssel rendelkezik. Amikor egy részecske és annak részecskéje találkozik, megsemmisülnek - egy fényvillanás alatt eltűnnek.
Hol van az összes antianyag?
A modern fizika egyik legnagyobb rejtélye, hogy miért látjuk az univerzumot, amelyet teljes egészében az anyag alkot. Ha egyszer lenne azonos mennyiségű antianyag, akkor az univerzumban minden megsemmisül. És úgy tűnik, hogy egy nemrégiben közzétett tanulmány új forrást talált az anyag és az antianyag közötti aszimmetria számára.
Arthur Schuster volt az első, aki 1896-ban beszélt az antianyagról, majd 1928-ban Paul Dirac adta az elméleti alapot, 1932-ben pedig Karl Anderson fedezte fel anti-elektronok formájában, amelyeket positronoknak hívnak. A pozitronok olyan természetes radioaktív folyamatokban születnek, mint például a kálium-40 bomlása. Ez azt jelenti, hogy egy rendszeres (káliumtartalmú) banán 75 percenként pozitront bocsát ki. Ezután az anyagban lévő elektronokkal megsemmisül, fényt termelve. Az olyan orvosi alkalmazások, mint például a PET-szkennerek, hasonló módon termelnek antianyagot.
Az anyag fő alkotóelemei, amelyekből az atomok állnak, elemi részecskék - kvarkok és leptonok. Hatféle kvark létezik: fel, le, furcsa, elbűvölt, igaz és gyönyörű. Hasonlóképpen, hat lepton létezik: elektron, muon, tau és háromféle neutrinó. Vannak e tizenkét részecske antimaterális példányai is, amelyek csak töltésükben különböznek egymástól.
Az antianyag-részecskéknek elvileg a normál műholdaik tökéletes tükrözésének kell lenniük. A kísérletek azonban azt mutatják, hogy nem mindig ez a helyzet. Vegyük például a mezonoknak nevezett részecskéket, amelyek egy kvarcból és egy antikarkból állnak. A semleges mezonok lenyűgöző tulajdonsággal bírnak: spontán módon átalakulhatnak anti-mezonokká és fordítva. Ebben a folyamatban a kvarc antiquarkrá, vagy antiquarkrá kvarkká alakul. Kísérletek azonban kimutatták, hogy ez gyakrabban fordulhat elő egyik irányban, mint a másikban - ennek eredményeként idővel több anyag van, mint az antianyag.
Promóciós videó:
A harmadik alkalom varázslatos
A kvarkokat tartalmazó részecskék között az ilyen aszimmetriákat csak furcsa és gyönyörű kvarkokban találták meg - és ezek a felfedezések rendkívül fontosak lettek. Az aszimmetria legelső megfigyelése az furcsa részecskékkel kapcsolatban 1964-ben lehetővé tette az elméleti szakemberek számára, hogy megjósolják hat kvarc létezését - akkor, amikor csak három létezett. A szép részecskékben az aszimmetria felfedezése 2001-ben a mechanizmus végleges megerősítése, amely a hat kvarc képhez vezet. Mindkét felfedezés Nobel-díjat nyert.
Mind a furcsa, mind a gyönyörű kvarkok negatív elektromos töltéseket hordoznak. Az egyetlen pozitív töltésű kvarc, amely elméletben képes lenne olyan részecskéket képezni, amelyek az anyag és az antianyag aszimmetriáját mutatják, a varázsa. Az elmélet azt sugallja, hogy ezt megteszi, hatásának jelentéktelennek kell lennie, és ezt nehéz megtalálni.
De a LHCb kísérlet a Nagy Hadron Összeütközőben először képes volt megfigyelni az ilyen aszimmetriát a D-mezonoknak nevezett részecskékben, amelyek elvarázsolt kvarkokból állnak. Ezt lehetővé tette a példa nélküli mennyiségű elbűvölt részecske előállítása közvetlenül az LHC-n történő ütközések során. Az eredmény azt mutatja, hogy annak valószínűsége, hogy ez statisztikai ingadozás, 50 / milliárd.
Ha ez az aszimmetria nem abból a mechanizmusból származik, amely furcsa és gyönyörű kvarkok aszimmetriájához vezet, akkor van hely az anyag-antianyag aszimmetriájának új forrásaira, amelyek hozzáadhatják az univerzumban élők általános aszimmetriáját. És ez fontos, mivel az aszimmetria számos ismert esete nem magyarázza meg, miért van annyira anyag az univerzumban. A varázskvarc-felfedezés önmagában nem lesz elég a probléma megoldására, ám ez a rejtvény fontos eleme az alapvető részecske-kölcsönhatások megértésében.
Következő lépések
Ezt a felfedezést az elméleti munkák számának növekedése követi, amelyek segítenek az eredmény értelmezésében. Ennél is fontosabb, hogy további teszteket vázol fel felfedezésünk megértésének megmélyítése érdekében - és ezek közül néhány már folyamatban van.
A következő évtizedben a továbbfejlesztett LHCb-kísérlet növeli az ilyen mérések érzékenységét. Ezt ki fogja egészíteni a most kezdődő japán Belle II kísérlet.
Az antianyag számos más kísérlet középpontjában áll. A CERN Antiproton Moderátorjában teljes antiszómákat állítanak elő, és nagyon pontos mérési kísérletek sorozatát nyújtják. Az AMS-2 kísérlet a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén az űrből származó antianyagot keresi. Számos jelenlegi és jövőbeli kísérletet szentelünk annak a kérdésnek, hogy van-e anyag-antianyag-aszimmetria a neutrinók között.
Bár még mindig nem tudjuk teljesen megbontani az anyag és az antianyag aszimmetriájának rejtélyét, legújabb felfedezésünk a pontos mérések korszakát nyitotta meg, amelyek még ismeretlen jelenségeket fedhetnek fel. Minden oka van azt hinni, hogy a fizikusok egy nap meg tudják magyarázni, miért vagyunk itt.
Ilya Khel