Partikel yang memiliki sifat yang sama tetapi memiliki tanda muatan yang berlawanan disebut. antipartikel

Himpunan elemen. partikel yang memiliki nilai massa dan fisis yang sama. char-k, sebagai "kembar" mereka - h-tsy, tetapi berbeda dari mereka dalam tanda efek char-k tertentu (misalnya, muatan listrik, momen magnet). Nama "h-tsa" dan "A." sampai batas tertentu bersyarat: orang dapat menyebut antielektron (bermuatan positif. e-n) h-tsey, dan e-n - A. Namun, atom-atom di pulau-pulau di bagian alam semesta yang dapat diamati mengandung e-ns dengan negatif. bermuatan, sedangkan proton positif. Oleh karena itu, bagi yang sudah terkenal sejak awal. 20-an abad ke-20 elemen h-ts - el-on dan proton (dan kemudian neutron) nama "partikel" diadopsi.

Kesimpulan tentang keberadaan A. pertama kali dibuat pada tahun 1931 oleh Inggris. fisikawan P. Dirac. Dia membawa keluar kerabatnya. kuantum. ur-tion untuk e-on (persamaan Dirac), yang ternyata simetris terhadap tanda listrik. muatan: bersama dengan muatan negatif. el-nom itu menggambarkan muatan positif. h-zu dengan massa yang sama - antielektron. Menurut teori Dirac, tabrakan p-tsy dan A. harus mengarah pada pemusnahan mereka - hilangnya pasangan ini, sebagai akibatnya dua atau lebih p-t lainnya lahir, misalnya. foton.

Pada tahun 1932, antielektron secara eksperimental ditemukan oleh Amer. fisikawan K. Anderson. Dia memotret hujan yang dibentuk oleh sinar kosmik di ruang awan yang ditempatkan di sebuah magn. bidang. Mengenakan biaya h-tsa bergerak dalam magn. medan di sepanjang busur lingkaran, dan partikel-partikel dengan muatan yang berbeda tanda dibelokkan oleh medan dalam arah yang berlawanan. Seiring dengan jejak e-news cepat yang terkenal saat itu, Anderson menemukan di foto-foto itu tampilannya persis sama. jejak pikiran bermuatan positif. h-ts dengan massa yang sama. Orang-orang ini disebut positron.Penemuan positron merupakan konfirmasi brilian dari teori Dirac. Sejak saat itu, pencarian A lainnya.

Pada tahun 1936 juga di luar angkasa. sinar ditemukan negatif. dan menempatkan. muon (m- dan m+), yang merupakan h-tsey dan A. dalam hubungan satu sama lain. Pada tahun 1947 ditemukan bahwa muon kosm. sinar muncul sebagai akibat peluruhan h-c - pi-meson yang agak lebih berat (p-, p+). Pada tahun 1955, antiproton pertama didaftarkan dalam eksperimen di akselerator. fisik proses yang mengakibatkan terbentuknya antiproton adalah lahirnya pasangan proton-antiproton. Agak kemudian, antineutron ditemukan. Pada tahun 1981, A. dari hampir semua elemen yang diketahui telah ditemukan secara eksperimental. h-ts.

Prinsip-prinsip umum teori medan kuantum memungkinkan untuk menarik sejumlah kesimpulan mendalam tentang sifat-sifat partikel dan atom: massa, spin, spin isotop, masa hidup partikel dan atomnya harus sama (khususnya , partikel stabil sesuai dengan stabil TETAPI.); sama besarnya, tetapi berlawanan tanda harus tidak hanya listrik. muatan (dan momen magnetik) h-tsy dan A., tetapi juga semua kuantum lainnya. angka yang dikaitkan dengan orang untuk menggambarkan pola efeknya: muatan baryon, muatan lepton, keanehan, "pesona", dll. Ch-tsa, yang memiliki semua karakteristik yang membedakannya dari A., sama dengan nol, disebut . benar-benar netral; h-ts dan A. h-ts seperti itu identik. Ini termasuk, misalnya, foton, p0- dan h-meson, partikel J/y- dan Y.

Sampai tahun 1956, diyakini bahwa ada simetri lengkap antara p-tsy dan A. Ini berarti bahwa jika c.-l. proses antara p-tsami, maka harus ada proses yang sama persis antara A. Pada tahun 1956, ditemukan bahwa simetri seperti itu hanya ada pada magnet kuat dan magnet. vz-stvie. Dalam pengaruh yang lemah, pelanggaran simetri partikel-A ditemukan. (lihat CHARGE COUPLE). Pada prinsipnya, antimateri dapat dibangun dari A. dengan cara yang persis sama seperti masuk dari h-ts. Namun, kemungkinan pemusnahan saat bertemu manusia tidak memungkinkan A. lagi. waktu untuk eksis di-ve. A. dapat "hidup" untuk waktu yang lama hanya jika tidak ada kontak sama sekali dengan orang-orang di pulau-pulau itu. Bukti keberadaan antimateri di suatu tempat "dekat" dengan Semesta akan menjadi pemusnahan yang kuat. radiasi yang datang ke Bumi dari area kontak in-va dan antimateri. Namun sejauh ini, astrofisika tidak mengetahui data yang akan berbicara tentang keberadaan wilayah yang dipenuhi antimateri di Alam Semesta.
Kamus Ensiklopedis Fisik. - M.: Ensiklopedia Soviet..1983 .

ANTIPARTIKEL
Partikel dasar memiliki nilai massa, putaran, dll yang sama secara fisik. karakteristik, sebagai "kembar" - "partikel" mereka, tetapi berbeda dari mereka dalam tanda-tanda karakteristik interaksi tertentu ( biaya, misalnya tanda listrik. mengenakan biaya).

Keberadaan A. diprediksi oleh P. A. M. Dirac (P. A. M. Dirac). Persamaan gerak relativistik kuantum elektron yang diperolehnya pada tahun 1928 (lihat. persamaan dirac) tentu saja berisi solusi dengan neg. energi. Kemudian ditunjukkan bahwa hilangnya elektron dengan negatif energi harus diartikan sebagai munculnya partikel (bermassa sama) dengan positif. energi dan positif. listrik muatan, yaitu A. terhadap elektron. Partikel ini adalah positron - dibuka pada tahun 1932.

Dalam percobaan berikutnya, ditemukan bahwa tidak hanya elektron, tetapi juga semua partikel lain memiliki A sendiri. Pada tahun 1936, di ruang angkasa. sinarnya terbuka muon dan A.nya, dan pada tahun 1947 - - dan - meson yang membentuk sepasang partikel A.; terdaftar pada tahun 1955 dalam eksperimen akselerator antiproton, pada tahun 1956 - antineutron dll. Untuk menyajikan. AA telah diamati untuk hampir semua partikel yang diketahui, dan tidak diragukan lagi bahwa AA ada di semua partikel.

Keberadaan dan sifat-sifat A. ditentukan sesuai dengan pondasi. prinsip teori medan kuantum - invariansinya terhadap SRT transformasi (lih. teorema CPT). Dari CPT-teorema, maka massa, putaran, dan masa hidup partikel dan amplitudonya harus sama. Secara khusus, partikel stabil (relatif terhadap peluruhan) sesuai dengan atom stabil (namun, keberadaannya dalam materi untuk waktu yang lama tidak mungkin karena penghancuran dengan partikel materi). Keadaan partikel dan A.nya dihubungkan oleh operasi konjugasi muatan.

Oleh karena itu, partikel dan A. memiliki tanda listrik yang berlawanan. muatan (dan momen magnet) memiliki persamaan putaran isotop, tetapi berbeda dalam tanda proyeksi ketiganya, memiliki besaran yang sama tetapi berlawanan tanda keanehan, pesona, keindahan dll. Konversi inversi gabungan (CP) menghubungkan keadaan heliks partikel dengan keadaan A. dengan heliks yang berlawanan. Bilangan baryon dan lepton dengan magnitudo yang sama, tetapi berlawanan tanda, ditetapkan untuk partikel dan amplitudonya.

Karena invarian sehubungan dengan konjugasi muatan ( DARI-invariance) dari yang kuat dan el.-mag. interaksi yang dihubungkan oleh gaya yang sesuai, objek komposit dari partikel (inti atom, atom) dan dari atom (inti dan atom antimateri) harus memiliki struktur yang sama. Untuk alasan yang sama, struktur hadron dan akustiknya bertepatan, apalagi, dalam kerangka model quark keadaan antibaryon dijelaskan dengan cara yang persis sama seperti keadaan baryon dengan penggantian quark konstituen dengan yang sesuai barang antik. Keadaan meson dan A.nya dibedakan dengan penggantian komponen quark dan antiquark dengan antiquark dan quark yang sesuai. Untuk partikel netral sejati keadaan partikel dan atom bertepatan. Partikel semacam itu memiliki paritas muatan(dengan-paritas) dan SR-keseimbangan. Semua partikel yang benar-benar netral yang diketahui adalah boson (misalnya, -meson - dengan putaran - dengan putaran 1), namun, pada prinsipnya, fermion yang benar-benar netral juga dapat ada (yang disebut. partikel Majorana).

Interaksi lemah tidak invarian sehubungan dengan konjugasi muatan dan, akibatnya, memecah simetri antara partikel dan berlian, yang memanifestasikan dirinya dalam perbedaan perbedaan tertentu. karakteristik peluruhan lemah mereka.

Jika k.-l. dari bilangan kuantum partikel yang netral secara elektris tidak kekal, maka transisi (osilasi) antara keadaan partikel dan A-nya dimungkinkan. Dalam hal ini, keadaan dengan bilangan kuantum tidak kekal tertentu tidak tepat. keadaan operator energi-momentum, tetapi merupakan superposisi dari keadaan yang benar-benar netral dengan yang pasti. nilai massa. Fenomena serupa dapat diwujudkan dalam sistem, dll.

Definisi sebenarnya dari apa yang disebut "partikel" dalam pasangan partikel-A. berarti. mengukur kondisional. Namun, dengan pilihan "partikel" tertentu, A.nya ditentukan secara unik. Konservasi jumlah baryon dalam proses interaksi lemah memungkinkan untuk menentukan "partikel" dalam setiap pasangan baryon-antibaryon dengan rantai peluruhan baryon. Pilihan elektron sebagai "partikel" dalam pasangan elektron-positron tetap (karena konservasi bilangan lepton dalam proses interaksi lemah) definisi keadaan "partikel" dalam pasangan elektron neutrino- antineutrino. Transisi antara lepton dekompos. generasi (tipe ) belum diamati, sehingga definisi "partikel" di setiap generasi lepton, secara umum, dapat dibuat secara independen. Biasanya, dengan analogi dengan elektron, "partikel" disebut bermuatan negatif. lepton, yang, sambil mempertahankan nomor lepton, menentukan neutrino dan antineutrino yang sesuai. Untuk boson, konsep "partikel" dapat diperbaiki dengan definisi, misalnya, biaya tinggi.

Kelahiran A. terjadi dalam tumbukan partikel materi yang dipercepat hingga energi melebihi ambang batas untuk kelahiran pasangan partikel-A. (cm. kelahiran pasangan). Di laboratorium A. kondisi lahir dalam interaksi partikel dalam akselerator; penyimpanan A. yang terbentuk dilakukan di cincin penyimpanan di bawah vakum tinggi. Di alam. A. kondisi lahir selama interaksi kosmik primer. sinar dengan materi, misalnya, atmosfer bumi, dan juga harus lahir di sekitarnya pulsar dan inti galaksi aktif. Teoretis astrofisika mempertimbangkan pembentukan gaya atom (positron, antinukleon) selama pertambahan materi ke lubang hitam. Dalam kerangka modern Ahli kosmologi menganggap kelahiran A. selama penguapan lubang hitam primordial bermassa kecil.

Pada temp-pax melebihi energi istirahat partikel dari jenis tertentu (menggunakan sistem satuan = 1), pasangan partikel-A. hadir dalam keseimbangan dengan materi dan e-mag. radiasi. Kondisi seperti itu dapat diwujudkan untuk pasangan elektron-positron di inti panas bintang masif. Menurut teori Alam Semesta yang panas, pada tahap awal pengembangan Alam Semesta, pasangan partikel-A berada dalam keseimbangan dengan materi dan radiasi. semua varietas. sesuai model penyatuan yang hebat efek gangguan C- dan invarian CP dalam proses nonequilibrium dengan nonkonservasi jumlah baryon dapat menyebabkan alam semesta sangat awal untuk asimetri baryon alam semesta bahkan di bawah kondisi kesetaraan awal yang ketat dari jumlah partikel dan A. Ini memberikan fisik. alasan tidak adanya observasi. data tentang keberadaan benda-benda di alam semesta dari A.

Lit.: Dirac P. A. M., Prinsip mekanika kuantum, trans. dari bahasa Inggris, edisi ke-2., M., 1979; Nishijima K., Partikel fundamental, trans. dari bahasa Inggris, , 1965; Li Ts., Wu Ts., Interaksi lemah, trans. dari bahasa Inggris, M., 1968; Zeldovich Ya. V., Novikov I. D., Struktur dan evolusi Semesta, M., 1975. M. Yu. Khlopov.

Ensiklopedia fisik. Dalam 5 volume. - M.: Ensiklopedia Soviet.Pemimpin Redaksi A. M. Prokhorov.1988 .

Sesuai dengan persamaan Dirac, pertemuan elektron dengan positron memiliki konsekuensi fatal bagi mereka - kedua partikel menghilang. Prediksi yang luar biasa dan konfirmasi eksperimentalnya membuat kesan yang kuat pada fisikawan dan non-fisikawan - bagaimanapun, ini adalah contoh pertama dari transformasi lengkap materi menjadi radiasi. Efek yang baru ditemukan disebut pemusnahan, yang dalam bahasa Latin berarti pemusnahan total.

Faktanya, pernyataan bahwa interaksi partikel dan antipartikel selalu memerlukan penciptaan foton adalah salah bahkan dalam kaitannya dengan elektron dan positron. Pasangan elektron-positron bebas musnah dengan pembentukan kuanta elektromagnetik hanya jika energinya tidak terlalu tinggi. Elektron dan positron yang sangat cepat mampu menghasilkan pi-meson positif dan negatif (mereka juga pion), plus dan minus-muon, proton dan antiproton, dan bahkan partikel yang lebih berat - hanya energi yang cukup. Proton dan antiproton yang lambat selama pemusnahan menimbulkan pion bermuatan dan netral (dan yang cepat menjadi partikel lain), yang meluruh menjadi gamma kuanta, muon, dan neutrino. Pada prinsipnya, tumbukan partikel dan antikopinya dapat menghasilkan kombinasi partikel apa pun yang tidak dilarang oleh prinsip simetri dan hukum kekekalan.

Tampaknya pemusnahan tidak berbeda dengan interaksi antar partikel lainnya, tetapi ia memiliki satu fitur mendasar. Agar partikel-partikel stabil, seperti proton atau elektron, menimbulkan hujan penghuni mikrokosmos yang eksotis ketika mereka bertemu, mereka perlu didispersikan dengan benar. Proton lambat hanya akan mengubah kecepatannya ketika mereka bertemu - ini akan menjadi akhir dari masalah. Tetapi proton dan antiproton, yang mendekat, mengalami hamburan dan dispersi elastis, atau musnah dan menghasilkan partikel sekunder.

Semua hal di atas mengacu pada pemusnahan partikel bebas. Jika setidaknya salah satu dari mereka adalah bagian dari sistem kuantum, situasinya pada prinsipnya tetap sama, tetapi alternatifnya berubah. Misalnya, pemusnahan elektron bebas dan positron bebas tidak akan pernah dapat menimbulkan hanya satu kuantum - hukum kekekalan momentum tidak memungkinkan. Paling mudah untuk melihat ini jika Anda bekerja dalam sistem pusat inersia dari pasangan yang bertabrakan - maka momentum awal akan sama dengan nol dan karena itu tidak dapat bertepatan dengan momentum satu foton, ke mana pun ia pergi. Jika positron bertemu dengan elektron yang, katakanlah, bagian dari atom hidrogen, pemusnahan satu foton juga dimungkinkan - dalam hal ini, sebagian momentum akan ditransfer ke inti atom.

Bagaimana dengan antigrav?

Fisikawan Inggris Arthur Schuster percaya bahwa antimateri ditolak secara gravitasi oleh materi biasa, tetapi sains modern menganggap ini tidak mungkin. Dari prinsip-prinsip simetri yang paling umum dari hukum dunia mikro, maka antipartikel harus ditarik satu sama lain oleh gravitasi, seperti partikel tanpa awalan "anti". Pertanyaan tentang apa itu interaksi gravitasi partikel dan antipartikel belum sepenuhnya terjawab, tetapi jawabannya hampir jelas.

Mari kita mulai dengan teori relativitas umum Einstein. Hal ini didasarkan pada prinsip kesetaraan yang ketat dari massa gravitasi dan inersia, dan untuk materi biasa pernyataan ini telah dikonfirmasi secara eksperimental oleh banyak pengukuran yang sangat tepat. Karena massa inersia suatu partikel sama persis dengan massa antipartikelnya, tampaknya sangat mungkin bahwa massa gravitasinya juga sama. Namun, ini masih merupakan asumsi, meskipun sangat masuk akal, dan tidak dapat dibuktikan dengan relativitas umum.

Argumen lain yang menentang tolakan gravitasi antara materi dan antimateri mengikuti dari mekanika kuantum. Ingatlah bahwa hadron (partikel yang mengambil bagian dalam interaksi yang kuat) terdiri dari quark yang direkatkan oleh ikatan gluon. Setiap baryon terdiri dari tiga quark, sedangkan meson terdiri dari kombinasi pasangan quark dan antiquark, dan tidak selalu sama (meson, yang mencakup quark dan antiquarknya sendiri, adalah partikel yang benar-benar netral dalam arti bahwa ia sepenuhnya identik dengan antitimesonnya). Namun, struktur quark ini tidak dapat dianggap benar-benar stabil. Sebuah proton, misalnya, terdiri dari dua u-quark, yang masing-masing membawa muatan listrik dasar +2/3, dan satu d-quark dengan muatan -1/3 (oleh karena itu, muatan proton adalah +1 ). Namun, quark ini, sebagai hasil interaksi dengan gluon, dapat mengubah sifatnya untuk waktu yang sangat singkat - khususnya, mereka dapat berubah menjadi antiquark. Jika partikel dan antipartikel secara gravitasi saling tolak, berat proton (dan juga, tentu saja, neutron) akan sedikit berosilasi. Namun, sejauh ini tidak ada efek seperti itu yang ditemukan di satu laboratorium.

Tidak ada keraguan bahwa suatu hari Yang Mulia Eksperimen akan menjawab pertanyaan ini. Kita perlu sedikit - untuk mengumpulkan lebih banyak antimateri dan melihat bagaimana perilakunya di medan gravitasi terestrial. Namun, secara teknis, pengukuran ini sangat kompleks, dan sulit diprediksi kapan bisa diterapkan.

Antimateri dan Bima Sakti

Pada 1970-an, para astronom yang menggunakan teleskop sinar gamma yang dipasang pada balon ketinggian mendeteksi sinar gamma 511 keV yang berasal dari pusat Galaksi kita, Bima Sakti. Energi inilah yang merupakan karakteristik dari pemusnahan elektron bebas dan positron, yang memungkinkan untuk mengasumsikan keberadaan awan antimateri berukuran sekitar 10.000 tahun cahaya.

Jadi apa bedanya?

Setelah penemuan positron selama seperempat abad, hampir semua fisikawan yakin bahwa alam tidak membedakan antara partikel dan antipartikel. Lebih khusus lagi, diyakini bahwa setiap proses fisik yang melibatkan partikel sesuai dengan proses yang persis sama yang melibatkan antipartikel, dan keduanya dilakukan dengan probabilitas yang sama. Data eksperimen yang tersedia membuktikan bahwa prinsip ini diamati untuk keempat interaksi fundamental - kuat, elektromagnetik, lemah, dan gravitasi.

Dan kemudian semuanya berubah secara dramatis. Pada tahun 1956, fisikawan Amerika Li Tsung-tao dan Yang Jen-ning menerbitkan makalah pemenang Hadiah Nobel di mana mereka membahas kesulitan yang terkait dengan fakta bahwa dua partikel yang tampaknya identik, theta meson dan tau meson, meluruh menjadi jumlah pion yang berbeda. . Penulis menekankan bahwa masalah ini dapat diselesaikan jika kita berasumsi bahwa peluruhan tersebut terkait dengan proses yang sifatnya berubah ketika bergerak dari kanan ke kiri, dengan kata lain, dengan refleksi cermin (sesaat kemudian, fisikawan menyadari bahwa secara umum, seseorang harus bicara tentang refleksi di masing-masing dari tiga bidang koordinat - atau, yang sama, tentang perubahan tanda semua koordinat spasial, inversi spasial). Ini berarti bahwa proses mirroring mungkin dilarang atau terjadi dengan probabilitas yang berbeda dari sebelum mirroring. Setahun kemudian, peneliti Amerika (yang tergabung dalam dua kelompok independen dan bekerja dengan metode yang berbeda) menegaskan bahwa proses tersebut memang ada.

Ini hanya awal. Pada saat yang sama, fisikawan teoretis dari Uni Soviet dan AS menyadari bahwa pelanggaran simetri cermin memungkinkan pelanggaran simetri sehubungan dengan penggantian partikel dengan antipartikel, yang juga berulang kali dibuktikan dalam eksperimen. Perlu dicatat bahwa tidak lama sebelum Lee dan Yang, tetapi masih pada tahun 1956 yang sama, kemungkinan pemecahan simetri cermin didiskusikan oleh fisikawan eksperimental Martin Block dan ahli teori besar Richard Feynman, tetapi mereka tidak pernah mempublikasikan pertimbangan ini.

Fisikawan secara tradisional menunjukkan refleksi cermin dengan huruf Latin P, dan penggantian partikel dengan antipartikelnya dengan huruf C. Kedua simetri dilanggar hanya dalam proses yang melibatkan interaksi lemah, yang bertanggung jawab atas peluruhan beta inti atom. Oleh karena itu, karena interaksi yang lemah, ada perbedaan perilaku partikel dan antipartikel.

Pelanggaran aneh terhadap simetri cermin menghidupkan upaya untuk mengimbanginya dengan cara tertentu. Sudah pada tahun 1956, Lee dan Yang, dan secara independen Lev Landau, menyarankan bahwa alam tidak membedakan antara sistem yang diperoleh satu sama lain dengan menerapkan transformasi C dan P bersama-sama (yang disebut simetri CP). Dari sudut pandang teori, hipotesis ini tampak sangat meyakinkan dan, terlebih lagi, cocok dengan data eksperimen. Namun, hanya delapan tahun kemudian, karyawan Laboratorium Nasional Brookhaven menemukan bahwa salah satu meson-K yang tidak bermuatan (atau, sebagaimana mereka juga disebut, kaon) dapat meluruh menjadi pasangan pion. Dengan kepatuhan ketat pada CP-simetri, transformasi seperti itu tidak mungkin - dan oleh karena itu, simetri ini tidak universal! Benar, proporsi peluruhan yang seharusnya dilarang tidak melebihi 0,2%, tetapi itu masih terjadi! Penemuan ini membuat pemimpin tim Brookhaven, James Cronin dan Val Fitch, menerima Hadiah Nobel dalam Fisika.

Fisika modern dan kaca mata

Hipotesis materi cermin pertama kali dirumuskan dengan jelas dalam sebuah artikel oleh Igor Kobzarev, Lev Okun dan Isaak Pomeranchuk, yang diterbitkan pada tahun 1966.

Dengan tangan ringan Lewis Carroll, Through the Looking Glass disebut sebagai tanah ajaib yang terletak di sisi lain cermin dan hanya ada dalam imajinasi manusia. Namun, fisikawan modern cukup serius berbicara tentang keberadaan dunia cermin atau, lebih tepatnya, materi cermin. Dan jika mereka menemukannya, dongeng lama akan, dalam arti tertentu, menjadi kenyataan.

Pada tahun 1966, diketahui bahwa simetri CP tidak diamati pada peluruhan kaon. Para penulis menunjukkan bahwa simetri ini dapat dipertahankan (atau lebih tepatnya, digeneralisasikan) dalam arti tertentu, jika kita berasumsi bahwa setiap partikel sesuai dengan partikel cermin dengan karakteristik fisik yang sama. Untuk melakukan ini, mereka mendalilkan simetri di bawah transformasi CPA, di mana operasi A hanya menggantikan partikel dengan pasangan cerminnya (huruf A adalah pengingat Alice Carroll). Kemungkinan lain, yang dicatat oleh Kobzarev, Okun dan Pomeranchuk, adalah bahwa neutrino dapat menjadi umum untuk materi kita dan materi cermin. Kemudian, Lev Okun menerbitkan selusin artikel, di mana ia mempertimbangkan berbagai kemungkinan hubungan antara materi biasa dan materi cermin dan mengusulkan eksperimen yang memungkinkan mereka ditemukan.

Partikel cermin hipotetis tidak ada di suatu tempat di alam semesta paralel, tetapi di ruang kita. Mereka terhubung satu sama lain melalui interaksi mereka sendiri, yang tidak meluas ke partikel materi kita, sama seperti interaksi kita tidak dirasakan oleh partikel cermin. Oleh karena itu, pada prinsipnya, mungkin ada galaksi cermin, bintang, dan planet (termasuk yang dapat dihuni), yang tidak dapat dilihat melalui teleskop apa pun. Hanya ada satu cara untuk mendaftarkan materi cermin - dengan medan gravitasi, karena ia tertarik ke materi dunia kita dengan cara biasa.

Pada 1970-an, upaya fisikawan teoretis terutama diarahkan pada pengembangan Model Standar partikel elementer, dan hipotesis partikel cermin entah bagaimana pindah ke latar belakang. Kemudian minat terhadapnya muncul kembali, dan Rabindra Mohapatra, profesor fisika teoretis di Universitas Maryland, berbicara tentang keadaannya saat ini di Popular Mechanics: “Para fisikawan kembali ke partikel cermin karena dua alasan. Dalam dekade terakhir, posisi hipotesis materi gelap telah menguat dan kemungkinan adanya apa yang disebut neutrino steril mulai didiskusikan. Neutrino seperti itu mematuhi hukum gravitasi, tetapi tidak mengambil bagian dalam interaksi kuat, atau elektromagnetik, atau lemah. Dalam konteks ini, pada tahun 1995, ahli teori Australia Foot and Volkas dan, secara independen, saya dan fisikawan Georgia Zurab Berezhiani (dia sekarang bekerja di Italia) menyarankan bahwa partikel cermin benar-benar ada dan memanifestasikan diri dalam neutrino steril dan materi gelap. Banyak rekan kami telah mengakui bahwa ide ini layak untuk didiskusikan. Muncul pertanyaan alami - bagaimana mendeteksi partikel cermin atau kelompoknya? Jika ada, katakanlah, bintang-bintang yang terbuat dari materi cermin, mereka akan mengkhianati kehadiran mereka hanya dengan gravitasi. Itu dapat dideteksi melalui efek lensa gravitasi, tetapi sejauh ini tidak ada yang berhasil. Namun, ada kemungkinan lain, yang saya dan rekan penulis diskusikan dalam makalah yang baru saja diterbitkan. Ada alasan untuk berpikir bahwa foton kami dapat bercampur sangat sedikit dengan foton sektor cermin. Keadaan ini, pada prinsipnya, membuka jalan bagi pendaftaran partikel cermin.”

Menurut satu teori, tak lama setelah kelahiran Alam Semesta kita, semua partikel cermin, kecuali yang paling ringan, meluruh. Orang yang selamat dapat membentuk kluster ruang angkasa yang memanifestasikan diri mereka sebagai lingkaran cahaya materi gelap. Namun, menurut skenario ini, bintang cermin dan planet cermin tidak ada - tidak akan ada cukup bahan bangunan untuk mereka.

Simetri dan antimateri

Pelanggaran CP-simetri secara langsung berkaitan dengan perbedaan antara materi dan antimateri. Pada akhir 1990-an, eksperimen yang sangat indah dilakukan di CERN dengan kaon netral K 0, yang masing-masing terdiri dari d quark dan antiquark aneh yang lebih masif. Hukum alam memungkinkan antiquark kehilangan sebagian energinya dan berubah menjadi anti-d. Energi yang dilepaskan dapat digunakan untuk meluruhkan kaon, tetapi ada kemungkinan bahwa d-quark yang berdekatan akan menyerapnya dan berubah menjadi quark yang aneh. Akibatnya, sebuah partikel akan muncul, yang terdiri dari anti-d-quark dan quark aneh, yaitu antikanon netral. Secara formal, transformasi ini dapat digambarkan sebagai hasil dari penerapan transformasi CP ke kaon!

Jadi, jika simetri CP diamati secara mutlak, maka kaon netral K 0 berubah menjadi antipartikelnya dengan probabilitas yang persis sama saat mengalami transformasi terbalik. Setiap pelanggaran CP-simetri akan menyebabkan perubahan pada salah satu probabilitas ini. Jika kita menyiapkan berkas dengan jumlah yang sama dari kaon dan antikanon netral dan mengikuti dinamika konsentrasi kedua partikel, kita dapat mengetahui apakah osilasi kuantumnya memenuhi simetri CP.

Inilah yang dilakukan fisikawan CERN. Mereka menemukan bahwa antikanon netral menjadi kaon sedikit lebih cepat daripada berubah menjadi antikanon. Dengan kata lain, sebuah proses ditemukan di mana antimateri berubah menjadi materi lebih cepat daripada materi menjadi antimateri! Dalam campuran dengan bagian materi dan antimateri yang awalnya sama, seiring waktu, bahkan kelebihan materi yang kecil, tetapi masih dapat diukur, terbentuk. Efek yang sama terungkap dalam eksperimen dengan partikel netral berat lainnya - D 0 -meson dan B 0 -meson.

Jadi, pada akhir abad ke-20, para peneliti telah membuktikan secara meyakinkan bahwa interaksi lemah memiliki efek yang berbeda pada partikel dan antipartikel. Meskipun perbedaan ini sangat kecil dalam dirinya sendiri dan hanya terungkap dalam proses transformasi tertentu dari partikel yang sangat eksotis, mereka semua cukup nyata. Ini berarti adanya asimetri fisik antara materi dan antimateri.

Untuk melengkapi gambar, satu keadaan lagi harus diperhatikan. Pada 1950-an, proposisi terpenting mekanika kuantum relativistik, teorema CPT, terbukti. Dikatakan bahwa partikel dan antipartikel sangat simetris sehubungan dengan transformasi CP, diikuti oleh pembalikan waktu (tepatnya berbicara, teorema ini hanya benar tanpa memperhitungkan gravitasi, jika tidak pertanyaannya tetap terbuka). Akibatnya, jika simetri CP tidak diamati dalam beberapa proses, kecepatan mereka dalam arah "maju" dan "mundur" (apa yang harus dipertimbangkan karena keduanya, tentu saja, adalah masalah kesepakatan) tidak boleh sama. Inilah tepatnya yang dibuktikan oleh eksperimen di CERN dengan kaon netral.

Di mana anti-dunia?

Pada tahun 1933, Paul Dirac yakin bahwa di alam semesta kita terdapat seluruh pulau antimateri, yang dia sebutkan dalam kuliah Nobelnya. Namun, para ilmuwan modern percaya bahwa tidak ada pulau seperti itu di Galaksi kita atau di luarnya.

Tentu saja, antimateri seperti itu ada. Antipartikel dihasilkan oleh banyak proses berenergi tinggi - katakanlah, pembakaran termonuklir bahan bakar bintang dan ledakan supernova. Mereka muncul di awan plasma magnet yang mengelilingi bintang neutron dan lubang hitam, selama tabrakan partikel kosmik cepat di ruang antarbintang, ketika atmosfer bumi dibombardir oleh sinar kosmik, dan, akhirnya, dalam eksperimen akselerator. Selain itu, peluruhan beberapa radionuklida disertai dengan pembentukan antipartikel - yaitu, positron. Tapi semua ini hanya antipartikel, dan bukan antimateri. Sejauh ini, tidak ada yang bisa mendeteksi bahkan antihelium kosmik, apalagi elemen yang lebih berat. Pencarian radiasi gamma dengan spektrum tertentu, yang disebabkan oleh pemusnahan pada batas-batas gugus kosmik materi dan antimateri, juga tidak berhasil.

Laporan secara berkala muncul dalam literatur ilmiah tentang penemuan sumber primer non-standar antipartikel kosmik yang tidak diketahui asalnya. Pada bulan April 2009, data diterbitkan pada kelebihan misterius positron sangat cepat yang terdeteksi oleh kompleks detektor PAMELA. Peralatan ini ditempatkan di atas satelit Rusia Resurs-DK1, yang dikirim ke orbit dekat Bumi pada 15 Juni 2006 dari kosmodrom Baikonur. Beberapa ahli menafsirkan hasil ini sebagai kemungkinan bukti pemusnahan partikel materi gelap hipotetis, tetapi penjelasan yang kurang eksotis segera muncul. Hipotesis ini dikomentari untuk "PM" oleh seorang spesialis terkenal dalam sinar kosmik Veniamin Berezinsky dari Laboratorium Nasional Gran Sasso, yang merupakan bagian dari Institut Nasional Fisika Nuklir Italia: "Model standar untuk produksi sinar kosmik galaksi terletak pada tiga posisi. Sisa-sisa supernova dianggap sebagai sumber pertama dan utama partikel bermuatan. Ide kedua adalah bahwa partikel dipercepat ke kecepatan ultrarelativistik di bagian depan gelombang kejut pasca-ledakan, dan peran medan magnet mereka sendiri sangat besar dalam percepatan ini. Proposisi ketiga adalah bahwa sinar kosmik merambat melalui difusi. Mantan mahasiswa saya dan sekarang profesor di Institut Astrofisika Nasional, Pasquale Blasi, menunjukkan bahwa kelebihan positron yang terdeteksi oleh kompleks PAMELA cukup konsisten dengan model ini. Proton yang tersebar dalam gelombang kejut bertabrakan dengan partikel gas kosmik dan di zona percepatannya inilah mereka berubah menjadi pion positif, yang meluruh dengan pembentukan positron dan neutrino. Menurut perhitungan Blazy, proses ini dapat menghasilkan konsentrasi positron yang persis sama dengan yang ditemukan PAMELA. Mekanisme untuk menghasilkan positron seperti itu terlihat sangat alami, tetapi untuk beberapa alasan hal itu tidak pernah terpikirkan oleh siapa pun sampai sekarang. Blasi juga menunjukkan bahwa proses yang sama juga harus menghasilkan kelebihan antiproton. Namun, penampang produksinya jauh lebih kecil daripada nilai yang sesuai untuk positron, karena itu mereka hanya dapat dideteksi pada energi yang lebih tinggi. Saya pikir seiring waktu itu akan menjadi mungkin.”

Secara umum, sejauh ini semuanya berbicara untuk fakta bahwa tidak ada antibintang, tidak ada antiplanet, atau bahkan antitimeteor terkecil di luar angkasa. Di sisi lain, model Big Bang konvensional menyatakan bahwa tak lama setelah lahir, alam semesta kita mengandung jumlah partikel dan antipartikel yang sama. Jadi mengapa yang pertama bertahan dan yang terakhir menghilang? Baca jawaban atas pertanyaan ini di edisi "PM" berikutnya.

Sejauh ini, belum ada yang mampu mendeteksi antihelium kosmik dan radiasi gamma dengan spektrum tertentu akibat musnahnya batas-batas gugus materi dan antimateri.

Tampaknya pemusnahan tidak berbeda dengan interaksi antar partikel lainnya, tetapi ia memiliki satu fitur mendasar. Agar partikel-partikel stabil, seperti proton atau elektron, menimbulkan hujan penghuni mikrokosmos yang eksotis ketika mereka bertemu, mereka perlu didispersikan dengan benar. Proton lambat hanya akan mengubah kecepatannya ketika bertemu - ini adalah akhir dari masalah. Tetapi proton dan antiproton, yang mendekat, mengalami hamburan dan dispersi elastis, atau musnah dan menghasilkan partikel sekunder.

Semua hal di atas mengacu pada pemusnahan partikel bebas. Jika setidaknya salah satu dari mereka adalah bagian dari sistem kuantum, situasinya pada prinsipnya tetap sama, tetapi alternatifnya berubah. Misalnya, pemusnahan elektron bebas dan positron bebas tidak akan pernah dapat menimbulkan hanya satu kuantum - hukum kekekalan momentum tidak mengizinkannya. Ini paling mudah untuk dilihat jika Anda bekerja dalam sistem pusat inersia dari pasangan yang bertabrakan - maka momentum awal akan menjadi nol dan karena itu tidak dapat bertepatan dengan momentum satu foton, ke mana pun ia terbang. Jika positron bertemu dengan elektron yang, katakanlah, bagian dari atom hidrogen, pemusnahan satu foton juga dimungkinkan - dalam hal ini, sebagian momentum ditransfer ke inti atom.

Cara utama untuk mencari antimateri adalah pendaftaran radiasi dengan karakteristik energi pemusnahan, atau pendaftaran langsung antipartikel berdasarkan massa dan muatan. Karena antiproton dan inti antihelium tidak dapat terbang melalui atmosfer, mereka hanya dapat dideteksi dengan bantuan instrumen yang dinaikkan ke lapisan atmosfer yang tinggi pada balon, atau instrumen orbital, seperti spektrometer alfa magnetik AMS-01 yang dikirimkan ke stasiun Mir pada tahun 1998 , atau sepupunya yang jauh lebih baik AMS-02 (foto), yang akan mulai beroperasi di ISS pada tahun 2010.

Bagaimana dengan antigrav?

Antimateri dan Bima Sakti

Pada 1970-an, para astronom yang menggunakan teleskop sinar gamma yang dipasang pada balon ketinggian tinggi mendeteksi sinar gamma dengan energi 511 keV yang berasal dari pusat Galaksi kita, Bima Sakti. Energi inilah yang merupakan karakteristik dari pemusnahan elektron bebas dan positron, yang memungkinkan untuk mengasumsikan keberadaan awan antimateri dengan ukuran sekitar 10.000 tahun cahaya.

Tidak ada keraguan bahwa suatu hari Yang Mulia Eksperimen akan menjawab pertanyaan ini. Tidak perlu banyak - untuk mengumpulkan lebih banyak antimateri dan melihat bagaimana perilakunya di medan gravitasi bumi. Namun, secara teknis, pengukuran ini sangat kompleks, dan sulit diprediksi kapan bisa diterapkan.

Jadi apa bedanya?

Dan kemudian semuanya berubah secara dramatis. Pada tahun 1956, fisikawan Amerika Li Tsung-dao dan Yang Jenning menerbitkan makalah pemenang Hadiah Nobel di mana mereka membahas kesulitan yang terkait dengan fakta bahwa dua partikel yang tampaknya identik, thetameson dan thaumeson, meluruh menjadi jumlah pion yang berbeda. Penulis menekankan bahwa masalah ini dapat diselesaikan jika kita berasumsi bahwa peluruhan tersebut terkait dengan proses, yang sifatnya berubah selama transisi dari kanan ke dingin, dengan kata lain, selama refleksi cermin (sesaat kemudian, fisikawan menyadari bahwa, dalam istilah umum, kita perlu berbicara tentang refleksi di masing-masing dari tiga bidang koordinat - atau, yang sama, tentang perubahan tanda semua koordinat spasial, inversi spasial). Ini berarti bahwa proses mirroring mungkin dilarang atau terjadi dengan probabilitas yang berbeda dari sebelum mirroring. Setahun kemudian, peneliti Amerika (yang tergabung dalam dua kelompok independen dan bekerja dengan metode yang berbeda) menegaskan bahwa proses tersebut memang ada.

Fisikawan secara tradisional menunjuk refleksi cermin dengan huruf Latin P, dan penggantian partikel dengan antipartikelnya dengan huruf C. Kedua simetri dilanggar hanya dalam proses yang melibatkan interaksi lemah, yang bertanggung jawab atas peluruhan beta inti atom. Oleh karena itu, karena interaksi yang lemah, ada perbedaan perilaku partikel dan antipartikel.

Selama salah satu misi pesawat ulang-alik terakhir (STS-134) pada tahun 2010, instrumen ilmiah baru, Spektrometer Magnetik Alpha (AMS-02, Spektrometer Magnetik Alfa), akan dikirimkan ke MSC. Prototipe AMS-01-nya dikirim ke stasiun luar angkasa Mir pada tahun 1998 dan membuktikan kelayakan konsep tersebut. Tujuan utama dari program ilmiah ini adalah untuk mempelajari dan mengukur dengan presisi tinggi komposisi sinar kosmik, serta untuk mencari bentuk materi eksotis - materi gelap, materi aneh (partikel yang mengandung quark aneh), seperti serta antimateri - khususnya, inti antihelium.

Pelanggaran aneh terhadap simetri cermin menghidupkan upaya untuk mengimbanginya dengan cara tertentu. Sudah pada tahun 1956, Lee dan Yang, dan secara independen Lev Landau, menyarankan bahwa alam tidak membedakan antara sistem yang diperoleh satu sama lain dengan menerapkan transformasi C dan P bersama-sama (yang disebut simetri CP). Dari sudut pandang teori, hipotesis ini tampak sangat meyakinkan dan, terlebih lagi, cocok dengan data eksperimen. Namun, hanya delapan tahun kemudian, karyawan Laboratorium Nasional Brookhaven menemukan bahwa salah satu meson-K yang tidak bermuatan (atau, sebagaimana mereka juga disebut, kaon) dapat meluruh menjadi pasangan pion. Dengan kepatuhan ketat pada CP-simetri, transformasi seperti itu tidak mungkin - dan oleh karena itu, simetri ini tidak universal! Benar, bagian peluruhan yang seharusnya dilarang tidak melebihi 0,2%, tetapi itu masih terjadi! Penemuan ini membuat pemimpin tim Brookhaven, James Cronin dan Val Fitch, menerima Hadiah Nobel dalam Fisika.

Simetri dan antimateri

Pelanggaran CP berhubungan langsung dengan perbedaan antara materi dan antimateri. Pada akhir 1990-an, eksperimen yang sangat indah dilakukan di CERN dengan kaon K0 netral, yang masing-masing terdiri dari d quark dan antiquark aneh yang lebih masif. Hukum alam memungkinkan antiquark kehilangan sebagian energinya dan berubah menjadi anti-d. Energi yang dilepaskan dapat digunakan untuk meluruhkan kaon, tetapi ada kemungkinan bahwa d-quark yang berdekatan akan menyerapnya dan berubah menjadi quark yang aneh. Akibatnya, sebuah partikel akan muncul, yang terdiri dari anti-d-quark dan quark aneh, yaitu antikanon netral. Secara formal, transformasi ini dapat digambarkan sebagai hasil dari penerapan transformasi CP ke kaon!

Jadi, jika simetri CP diamati dengan sangat ketat, maka kaon netral K0 berubah menjadi antipartikelnya dengan probabilitas yang sama persis ketika mereka mengalami transformasi terbalik. Setiap pelanggaran simetri CP akan menyebabkan perubahan pada salah satu probabilitas ini. Jika kita menyiapkan berkas dengan jumlah yang sama dari kaon dan antikanon netral dan mengikuti dinamika konsentrasi kedua partikel, kita dapat mengetahui apakah osilasi kuantumnya memenuhi simetri CP.

Inilah yang dilakukan fisikawan CERN. Mereka menemukan bahwa antikanon netral menjadi kaon sedikit lebih cepat daripada berubah menjadi antikanon. Dengan kata lain, sebuah proses ditemukan di mana antimateri berubah menjadi materi lebih cepat daripada materi menjadi antimateri! Dalam campuran dengan proporsi materi dan antimateri yang awalnya sama, seiring waktu, bahkan kelebihan materi yang kecil, tetapi masih dapat diukur, terbentuk. Efek yang sama terungkap dalam percobaan dengan partikel netral berat lainnya, meson D0 dan meson B0.

Jadi, pada akhir abad ke-20, para peneliti telah membuktikan secara meyakinkan bahwa interaksi lemah mempengaruhi partikel dan antipartikel dengan cara yang berbeda. Meskipun perbedaan ini sangat kecil dalam dirinya sendiri dan hanya terungkap dalam proses transformasi tertentu dari partikel yang sangat eksotis, mereka semua cukup nyata. Ini berarti adanya asimetri fisik antara materi dan antimateri.

Untuk melengkapi gambar, satu keadaan lagi harus diperhatikan. Pada 1950-an, proposisi terpenting mekanika kuantum relativistik, teorema CPT, terbukti. Dikatakan bahwa partikel dan antipartikel sangat simetris sehubungan dengan transformasi CP, diikuti oleh pembalikan waktu (tepatnya berbicara, teorema ini hanya benar tanpa memperhitungkan gravitasi, jika tidak pertanyaannya tetap terbuka). Oleh karena itu, jika simetri CP tidak diamati dalam beberapa proses, kecepatannya dalam arah "maju" dan "mundur" (apa yang harus dipertimbangkan karena keduanya, tentu saja, adalah masalah kesepakatan) tidak boleh sama. Inilah tepatnya yang dibuktikan oleh eksperimen di CERN dengan kaon netral.

Misi AMS-02 akan berlangsung sekitar tujuh tahun. Modul seberat tujuh ton yang ditambatkan ke ISS diharapkan dapat mendeteksi lebih dari 1 miliar inti helium dan beberapa inti antihelium. Pendahulu dari detektor ini, AMS-01, mendaftarkan sekitar 1 juta inti helium, tetapi tidak mendeteksi antihelium.

Di mana anti-dunia?

Tentu saja, antimateri seperti itu ada. Antipartikel dihasilkan oleh banyak proses berenergi tinggi, seperti pembakaran termonuklir bahan bakar bintang dan ledakan supernova. Mereka muncul di awan plasma magnet yang mengelilingi bintang neutron dan lubang hitam, selama tabrakan partikel kosmik cepat di ruang antarbintang, ketika atmosfer bumi dibombardir oleh sinar kosmik, dan, akhirnya, dalam eksperimen akselerator. Selain itu, peluruhan beberapa radionuklida disertai dengan pembentukan antipartikel yaitu positron. Tapi semua ini hanya antipartikel, dan bukan antimateri. Sejauh ini, tidak ada yang bisa mendeteksi bahkan antihelium kosmik, apalagi elemen yang lebih berat. Pencarian radiasi gamma dengan spektrum tertentu, yang disebabkan oleh pemusnahan pada batas-batas gugus kosmik materi dan antimateri, juga tidak berhasil.

Dunia atau anti dunia?

Mari kita bayangkan bahwa kita sedang terbang di atas kapal antarbintang yang sedang mendekati sebuah planet dengan kehidupan yang cerdas. Bagaimana kita tahu terbuat dari apa saudara-saudara kita - materi atau antimateri? Anda dapat mengirim penyelidikan pengintaian, tetapi jika itu meledak di atmosfer, kami dapat dianggap sebagai agresor luar angkasa, seperti yang terjadi dalam novel fiksi ilmiah Antiworld karya Krzysztof Borun. Hal ini dapat dihindari dengan menggunakan kaon dan antikon netral yang sama. Seperti yang telah disebutkan, mereka tidak hanya dapat berubah menjadi satu sama lain, tetapi juga dapat hancur, dan dengan cara yang berbeda. Secara khusus, neutrino yang disertai dengan pion dan elektron positif atau pion dan positron negatif dapat diproduksi dalam peluruhan tersebut. Karena asimetri antara materi dan antimateri, laju reaksi semacam itu agak berbeda. Keadaan ini dapat digunakan sebagai "tes lakmus". Untuk menguji antimaterialitas planet asing, lebih mudah untuk mengambil bukan kaon dan antikaon murni, tetapi keadaan campurannya, yang biasanya dilambangkan sebagai Ks dan Kl (s pendek, dan l panjang). Faktanya adalah bahwa dalam keadaan L, masa hidup sebuah partikel adalah 570 kali lebih lama daripada di keadaan S (5,12x10^-8 detik versus 8,95x10^-11 detik). Dalam versi kaon yang berumur panjang, simetri materi dan antimateri jauh lebih kuat - untuk setiap 10 ribu peluruhan jenis yang diinginkan, sekitar 5015 menghasilkan positron, dan 4985 elektron. Omong-omong, kami mencatat bahwa eksperimen historis Cronin dan Finch juga dilakukan pada Kl-meson. Dan sekarang mari kita mulai percakapan dengan saudara dalam pikiran. Kaon memiliki massa karakteristik sedikit lebih dari setengah massa proton. Mari kita jelaskan kepada mitra negosiasi kita bahwa kita membutuhkan partikel netral yang tidak stabil, yang massanya sedikit lebih besar daripada massa inti atom yang paling sederhana. Fisikawan luar angkasa akan memahami tentang apa itu, membuat Kl-meson dan menentukan karakteristik peluruhannya yang menarik bagi kita. Ketika mereka berhasil dalam hal ini, kita akan bertanya apakah tanda muatan listrik partikel bermuatan paling ringan, yang dihasilkan dalam peluruhan ini sedikit lebih sering daripada partikel serupa dari tanda yang berlawanan, bertepatan dengan tanda partikel yang membuat sampai atom dunia mereka. Dalam kasus jawaban positif, akan menjadi jelas bagi kita bahwa positron adalah bagian dari atomnya dan, oleh karena itu, alien terdiri dari antimateri. Dan jika jawabannya negatif - Anda dapat bersiap untuk mendarat!

Secara umum, sejauh ini semuanya berbicara untuk fakta bahwa tidak ada antibintang, tidak ada antiplanet, atau bahkan antitimeteor terkecil di luar angkasa. Di sisi lain, model Big Bang konvensional menyatakan bahwa tak lama setelah lahir, alam semesta kita mengandung jumlah partikel dan antipartikel yang sama. Jadi mengapa yang pertama bertahan dan yang terakhir menghilang?.. Baca jawaban atas pertanyaan ini di salah satu artikel berikut.

Artikel "Perang Partikel dan Antipartikel: Siapa yang Tetap di Medan Perang" diterbitkan dalam jurnal Popular Mechanics (

Kami terbiasa menggunakan anti- untuk menunjukkan entitas yang berlawanan. Misalnya, pahlawan dan anti-pahlawan dalam film petualangan berada dalam pertempuran sengit. Namun, dalam mikrokosmos, partikel dan antipartikel tidak sepenuhnya bertentangan satu sama lain. Sebuah partikel dan antipartikel memiliki massa, masa hidup, putaran yang sama, hanya muatannya yang berbeda. Tapi tidak semuanya begitu sederhana di sini juga.

Apa itu antipartikel?

Sebagai aturan, dari bangku sekolah, kebanyakan orang hanya memahami muatan listrik sebagai muatan. Memang, jika kita mempertimbangkan elektron dan antipartikelnya - positron, maka mereka berbeda secara tepat dalam muatan listrik: elektron memiliki muatan listrik negatif, dan positron memiliki muatan positif. Namun, selain elektromagnetik, ada juga interaksi gravitasi, kuat dan lemah yang masing-masing juga memiliki muatannya sendiri. Katakanlah proton, yang memiliki muatan listrik positif, dan antiproton, yang memiliki muatan listrik negatif, dalam interaksi yang kuat memperoleh muatan baryon (atau nomor baryon) sama dengan +1 untuk proton dan -1 untuk antiproton . Oleh karena itu, jika tidak ada muatan listrik, misalnya, seperti dalam kasus neutron dan antineutron, partikel yang berinteraksi kuat masih berbeda dalam jumlah baryon, yang sama dengan +1 untuk neutron dan -1 untuk antineutron.

Apakah ada situasi ketika muatan baryon dan listrik sama dengan nol? Ya, misalnya, dalam kasus meson. Mereka terdiri dari quark dan antiquark, dan menurut definisi muatan baryon mereka adalah nol. Pertimbangkan, misalnya, K-meson yang netral secara elektrik - partikel luar biasa di mana ditemukan pelanggaran terhadap paritas spasial dan muatan gabungan. Ada meson K0 dan meson anti-K0. Muatan listrik dan baryon kedua partikel sama dengan nol. Lalu mengapa mereka dianggap sebagai partikel dan antipartikel? Dalam hal ini, komposisi quark meson berbeda. Meson K0 terdiri dari anti-s quark dan d quark. Meson anti-K0, sebaliknya, terdiri dari s-quark dan anti-d-quark. Quark aneh - s - memiliki nomor kuantum atau muatan baru - keanehan. Keanehan berbeda untuk s dan anti-s quark, sama seperti muatan baryon berbeda untuk proton dan antiproton; d-quark dan d-antiquarks memiliki nomor kuantum sendiri, mirip dengan keanehan. Muatan ini memungkinkan untuk membedakan antara meson K0 dan anti-K0 yang netral secara elektrik dan baryon.

Namun, kebetulan partikel dan antipartikel itu identik. Misalnya, meson, yang terdiri dari anti-s-quark dan s-quark, dan antipartikelnya, sebaliknya, terdiri dari s-quark dan anti-s-quark. Ternyata -meson adalah antipartikelnya sendiri. Faktanya, ada banyak partikel yang mirip dengan meson. Yang paling terkenal mungkin adalah J/ψ meson, yang terdiri dari quark charm dan antiquark. Foton juga identik dengan dirinya sendiri. Dan pembawa interaksi lemah - Z0-boson - juga. Tetapi ada satu partikel elementer yang jawaban atas pertanyaan apakah itu identik dengan dirinya sendiri belum diklarifikasi. Partikel ini adalah neutrino. Ini hanya berpartisipasi dalam interaksi lemah dan gravitasi. Namun, interaksi gravitasi pada skala energi yang tersedia saat ini tidak memainkan peran apa pun. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa neutrino hanya berpartisipasi dalam interaksi yang lemah. Ada dua pendekatan untuk menggambarkan keadaan neutrino dalam teori medan kuantum. Yang pertama adalah apa yang disebut pendekatan Dirac, di mana neutrino dan antineutrino dianggap tidak identik satu sama lain. Dengan kata lain, dari sudut pandang ahli teori, neutrino dan antineutrino mirip dengan elektron dan positron. Yang kedua adalah pendekatan Majorana, di mana neutrino dan antineutrino dianggap identik satu sama lain. Pilihan yang mendukung konsep Majorana dapat diberikan oleh pengamatan eksperimental peluruhan beta ganda inti neutrinoles. Peluruhan ini adalah salah satu yang paling sulit untuk diamati secara eksperimental. Saat ini, proses ini masih belum ditemukan.

Sejarah penemuan antipartikel

Sudah di Yunani kuno, para pemikir kuno mengajukan pertanyaan tentang struktur dasar materi. Menurut mode ilmiah tahun-tahun itu, orang-orang Yunani mencari elemen utama. Sebagai hasil dari pencarian ini, orang Yunani memiliki beberapa set elemen primer yang sama sekali berbeda dan bahkan konsep atom sebagai embel-embel yang luar biasa. Tetapi orang-orang Yunani tidak dapat membuat pilihan di antara set yang berbeda, karena hanya argumen logis yang tidak cukup untuk pilihan itu, dan hampir 2000 tahun tersisa sebelum gagasan untuk membuat eksperimen yang menentukan.

Hanya pada pergantian abad XVII-XVIII, fisika terbentuk sebagai sains, kekuatan pendorong utamanya adalah eksperimen, dan tetap demikian hingga kuartal pertama abad XX. Itu adalah hasil eksperimen yang tidak terduga yang memberi dorongan pada munculnya elektrodinamika klasik, teori relativitas khusus, dan mekanika kuantum.

Namun, pada tahun 1928 semuanya berubah. Seorang fisikawan teoretis Inggris yang luar biasa, salah satu pencipta mekanika kuantum, Paul Dirac menulis persamaan kuantum relativistik untuk partikel dengan putaran setengah bilangan bulat. Persamaan ini memiliki satu fitur penting yang Dirac tidak dimasukkan ke dalamnya: jika persamaan ini memiliki solusi untuk partikel dengan muatan listrik negatif, maka solusi tambahan pasti akan muncul untuk partikel dengan muatan positif. Pada awal 1930-an, hanya satu partikel dengan putaran setengah bilangan bulat dan muatan negatif yang diketahui - yaitu elektron - dan satu partikel dengan putaran setengah bilangan bulat dan muatan positif, dan itu adalah proton. Pada awalnya, fisikawan berpikir bahwa dua solusi persamaan Dirac berhubungan dengan dua partikel ini. Tetapi segera ahli matematika Jerman Hermann Weyl membuktikan bahwa partikel dari persamaan Dirac dengan muatan positif dan negatif harus memiliki massa yang sama. Dan kemudian ada masalah, karena proton kira-kira 2000 kali lebih berat daripada elektron.

Artinya, teori Dirac meramalkan fakta yang secara fundamental baru. Dalam istilah modern, Paul Dirac meramalkan antipartikel. Hanya pada awalnya tidak ada yang percaya pada mereka, dan Dirac sendiri dikritik karena persamaan yang diduga salah. Dan sia-sia. Lagi pula, sudah setahun sejak antipartikel ditemukan. Hanya penemu mereka, fisikawan eksperimental Soviet berbakat Dmitry Vladimirovich Skobeltsyn, yang tidak mengetahui hal ini. Faktanya adalah dia terpesona oleh masalah yang relevan untuk saat itu: studi tentang komposisi sinar kosmik, yaitu partikel yang jatuh di Bumi dari luar angkasa. Untuk mengukur momentum partikel sinar kosmik dan muatannya, Skobeltsyn menempatkan ruang awan - perangkat terbaru untuk tahun 1930-an yang merekam jejak partikel bermuatan - dalam medan magnet konstan. Dalam ruangan seperti itu, partikel bermuatan positif yang datang dari luar angkasa harus berputar ke satu arah, dan partikel negatif ke arah lain. Skobeltsyn mengamati beberapa lintasan yang mirip dengan lintasan elektron, tetapi memutar ke arah yang berlawanan. Dari ketinggian pengetahuan modern, kami memahami bahwa jejak seperti itu ditinggalkan oleh positron. Tetapi ilmuwan menyarankan bahwa jejak ini ditinggalkan oleh elektron yang terbang dari permukaan bumi, di mana mereka terbentuk sebagai hasil dari radioaktivitas alami, dan tidak lagi tertarik pada jejak ini.

Oleh karena itu, Karl Anderson dianggap sebagai penemu positron pertama di dunia. Eksperimen Amerika yang brilian ini tahu tentang teori Dirac dan ingin menguji secara eksperimental keberadaan "elektron dengan muatan berbeda". Anderson menggunakan teknik Skobeltsyn dengan tambahan kecil yang membuat peneliti Amerika tersebut menjadi pemenang Nobel: ia menempatkan pelat timah di ruang awan. Ketika partikel bermuatan mengenai piring, ia kehilangan sebagian energinya, momentumnya berkurang, dan kelengkungan lintasan dalam medan magnet berubah. Oleh karena itu, dengan mengubah kelengkungan lintasan, seseorang dapat memahami dari sisi pelat timah mana partikel memasuki ruangan. Ini adalah informasi yang tidak dimiliki Skobeltsyn untuk menemukan positron. Ternyata partikel yang jejaknya mirip dengan jejak elektron, tetapi berputar ke arah yang berlawanan, terbang dari luar angkasa dengan cara yang sama seperti elektron biasa. Anderson melakukan eksperimennya pada tahun 1932. Tahun ini dianggap sebagai tahun penemuan antipartikel dan tahun dari mana teori dalam fisika partikel mulai melampaui eksperimen. Neutrino, boson Higgs, quark teratas pertama kali diprediksi oleh para ahli teori. Kadang-kadang eksperimen membenarkan teori itu setelah setengah abad, seperti yang terjadi, misalnya, dengan Higgs boson.

Kita dapat mengatakan bahwa pada tingkat yang baru kita telah kembali ke situasi yang ada di Yunani Kuno: para ahli teori menawarkan banyak konsep dasar baru, sama seperti orang-orang Yunani pernah mengusulkan berbagai rangkaian elemen primer. Baru sekarang para peneliti mencoba menguji konsep-konsep ini, jika ada kemungkinan teknologi seperti itu.

Bagaimana dengan antiprotonnya? Ini adalah antipartikel kedua yang ditemukan oleh fisikawan. Ditemukan pada tahun 1955 di akselerator proton oleh sekelompok fisikawan Italia berbakat Emilio Segre, yang melarikan diri dari Nazi ke Amerika. Penemuan ini dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1959. Hampir bersamaan dengan antiproton, antineutron ditemukan.

Ratusan antipartikel kini telah ditemukan. Setiap partikel bermuatan, tidak harus dengan putaran setengah bilangan bulat, memiliki antipartikelnya sendiri. Hadiah Nobel diberikan untuk penemuan antipartikel. Dan sifat partikel dan antipartikel yang ditemukan oleh Anderson selama interaksi untuk berubah menjadi foton - untuk dimusnahkan - memunculkan salah satu misteri mendasar fisika modern - asimetri baryon Semesta. Persamaan Dirac telah lama diakui oleh semua fisikawan dan menjadi dasar teori medan kuantum.

Dari antipartikel ke antimateri

Jika pada tahun 1960-an fisikawan dapat memperoleh positron, antiproton, dan antineutron, maka tampaknya dari sini satu langkah menuju sintesis antimateri, seperti antihidrogen. Namun, ada kesulitan besar di sepanjang jalan.

Untuk membuat atom dan molekul antimateri, tidak cukup hanya mendapatkan blok pembangunnya - antipartikel. Antipartikel ini perlu diperlambat. Tapi, yang terpenting, antimateri harus disimpan di dunia yang terdiri dari materi. Antipartikel tidak bisa begitu saja dimasukkan ke dalam kotak: mereka akan musnah dengan dinding kotak. Jika kita ingin mengawetkan antipartikel, maka kita harus menyimpannya dalam ruang hampa dan dalam "wadah tanpa dinding". Untuk partikel bermuatan, medan magnet tidak homogen yang kuat dapat digunakan sebagai wadah tersebut. Tugas membatasi partikel netral jauh lebih sulit, tetapi seiring waktu itu juga diselesaikan dengan menggunakan medan magnet. Saat ini, antihidrogen ditahan dalam perangkap Penning magnetik selama hampir 20 menit.

Sintesis antimateri adalah logis untuk memulai dengan sintesis antinuklei. Sampai saat ini, bagaimanapun, sedikit kemajuan telah dibuat ke arah ini. Hanya antihelium-3, yang terdiri dari dua antiproton dan satu antineutron, dan antihelium-4, yang terdiri dari dua antiproton dan dua antineutron, yang telah disintesis. (Perhatikan bahwa antihelium-3 disintesis di Institut Fisika Energi Tinggi dekat Moskow pada akselerator U-70, yang saat ini merupakan akselerator partikel berenergi tertinggi di Rusia.)

Bahkan lebih sedikit kemajuan telah dibuat dalam sintesis antiatom. Saat ini, hanya atom antihidrogen yang telah disintesis. Atom tunggal antihidrogen disintesis di Pusat Fisika Partikel Eropa (CERN) hanya pada tahun 1995. Terobosan nyata datang pada tahun 2002, ketika sekitar 50 juta atom antihidrogen disintesis. Sejak itu, CERN telah menjadi pemimpin dunia dalam studi sifat fisik dan kimia antimateri.

Antipartikel dan Hukum Dasar Alam

Dalam fisika modern, simetri memainkan peran yang luar biasa. Dalam teori medan kuantum, salah satu simetri yang paling penting adalah apa yang disebut simetri CPT, yaitu, simetri terhadap penggantian simultan semua muatan dengan © yang berlawanan, pantulan cermin ruang (P) dan pembalikan waktu. (T). Diyakini bahwa hanya teori simetris CPT yang dapat direalisasikan di alam. Simetri CPT menyiratkan banyak sifat yang harus dipatuhi oleh partikel dan antipartikel, misalnya persamaan massa keduanya. Saat ini, menarik bagaimana tidak begitu banyak antipartikel individu berperilaku, tetapi anti-objek yang lebih kompleks, seperti inti dan atom. Misalnya, CERN secara aktif menyelidiki sifat spektroskopi atom antihidrogen. Simetri CPT membutuhkan sifat-sifat ini persis sama dengan sifat-sifat atom hidrogen. Juga, atom antihidrogen harus jatuh di medan gravitasi bumi dengan cara yang sama seperti atom hidrogen. Dan eksperimen semacam itu sekarang sedang dilakukan di CERN. Jadi CERN bukan hanya Large Hadron Collider dan Higgs boson. Ini juga merupakan ujian simetri dasar alam. Untuk memahami dunia di sekitar kita, simetri ini bahkan lebih penting daripada boson Higgs. Sejauh ini, eksperimen belum dapat menemukan satu pun tanda pelanggaran simetri CPT.

Sekarang mari kita melihat sekeliling dan bertanya pada diri sendiri pertanyaan alami lainnya: mengapa kita hanya dikelilingi oleh materi? Dan di mana antimateri menghilang dari dunia kita? Masalah ini disebut asimetri baryon alam semesta. Dari teorema CPT, adalah naif untuk mengharapkan bahwa ada jumlah materi dan antimateri yang sama setelah Big Bang. Ini berarti bahwa cepat atau lambat pemusnahan global dapat terjadi. Dan hanya foton tunggal yang hampir tidak berinteraksi yang akan mengalir melalui Alam Semesta yang tak bernyawa.

Teka-teki asimetri baryon belum terpecahkan. Beberapa jawaban dapat ditawarkan di sini. Misalnya, tata surya kita terbuat dari materi, sedangkan sistem bintang lain yang terletak jauh dari tata surya kita terbuat dari antimateri. Tapi kemudian tidak jelas, untuk alasan apa, daripada pemusnahan, materi dan antimateri lebih suka berpisah di ruang angkasa? Dan para astronom tidak mengamati antidunia bintang.

Ide lain diusulkan pada tahun 1967 oleh akademisi Soviet, penerima Hadiah Nobel Perdamaian Andrei Dmitrievich Sakharov. Dia menyarankan bahwa nomor baryon - yang sama yang kita bicarakan di awal artikel ini - dilanggar, dan sebagai tambahan menarik fakta eksperimental pelanggaran muatan gabungan © dan paritas spasial (P). Kemudian partikel yang tidak stabil dapat meluruh dengan cara yang agak berbeda dari antipartikel yang tidak stabil. Dan ini ternyata cukup bahwa pada akhirnya ada sedikit lebih banyak materi daripada antimateri. Sisa materi dan antimateri dimusnahkan. Dan semua benda di Alam Semesta terdiri dari sedikit kelebihan materi. Saat ini, teori Sakharov telah dilengkapi dan dikembangkan. Tapi ide utamanya tetap tidak berubah.

Tentang antimateri ke bintang-bintang

Tidaklah berlebihan untuk mengatakan bahwa umat manusia bermimpi terbang ke bintang-bintang. Tetapi bahkan untuk bintang terdekat, Proxima Centauri, cahaya dari Matahari membutuhkan waktu lebih dari tiga tahun. Bintang-bintang lainnya jauh. Fantasis dengan mudah mengatasi jarak raksasa seperti itu dengan bantuan terowongan ruang-waktu, hyperdrive, dimensi kesepuluh dan kenyamanan lainnya, tetapi, sayangnya, hanya cara transportasi imajiner. Di dunia nyata, pesawat ruang angkasa penjelajah bintang pertama harus bergerak di ruang yang sama dengan cahaya, dan sebaiknya dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Pada saat yang sama, kami ingin pesawat ruang angkasa seperti itu memiliki massa sekecil mungkin. Dalam situasi ini, tidak ada bahan bakar yang lebih baik daripada antimateri untuk pesawat ruang angkasa. Memang, seluruh massa bahan bakar selama pemusnahan berubah menjadi foton yang terbang keluar dari nosel dengan kecepatan cahaya. Foton harus mempercepat pesawat ruang angkasa ke kecepatan yang sangat tinggi, yang merupakan pecahan dari kecepatan cahaya. Ini berarti bahwa penerbangan ke Proxima Centauri dapat memakan waktu, katakanlah, tiga puluh tahun. Ini banyak, tetapi penjelajah bintang akan punya waktu untuk kembali ke Bumi dalam kehidupan satu generasi. Apa berikutnya? Ini bisa seperti dalam fiksi ilmiah tahun 1950-an dan 1960-an: pilot luar angkasa, hampir awet muda karena paradoks kembar, dan gadis-gadis yang menunggu mereka di Bumi di ruang kriogenik. Romansa kosmik tahun enam puluhan emas atau kehidupan sehari-hari yang keras di tahun dua ribu lima puluhan? Tapi semuanya dimulai dengan persamaan Dirac yang tidak biasa, yang mau tidak mau harus memiliki dua solusi, dan Karl Anderson, yang menebak untuk memasukkan pelat timah ke dalam ruang awan.

Tidak ada alasan untuk berasumsi bahwa keberadaan positron, atau, lebih baik menyebutnya sekarang, antielektron, adalah ciri partikel kecil. Terlepas dari sejumlah fitur khusus, teori interaksi antara nukleon berkembang di sepanjang garis yang sama dengan teori interaksi elektron. Dalam sebagian besar makalah teoretis, diasumsikan bahwa nukleon harus dijelaskan dengan persamaan yang sangat mirip dengan persamaan Dirac untuk elektron. Jika demikian, maka untuk nukleon orang harus mengharapkan keberadaan antipartikel yang terletak di tempat yang sama

kaitannya dengan proton dan neutron, di mana positron dan elektron berada. Pengalaman telah menunjukkan bahwa inilah yang terjadi pada proton. Beberapa saat kemudian, antineutron juga ditemukan, yang berbeda dari neutron dalam arah momen magnetik (untuk neutron, momen magnetik dan vektor momentum rotasi adalah antiparalel, dan untuk antineutron, mereka paralel).

Beras. 246. (lihat pemindaian)

Penemuan antiproton menunjukkan validitas gagasan umum - hubungan tak terpisahkan dari medan dengan partikel. Sama seperti sepasang positron -

sebuah elektron, pasangan proton-antiproton dapat muncul dengan mentransfer nukleon dari keadaan energi negatif ke keadaan dengan energi positif. Untuk keperluan ini, energi yang dibutuhkan tidak kurang dari Ini adalah energi yang sangat besar, 1840 kali lebih besar dari energi yang dibutuhkan untuk membuat pasangan elektron-positron. Miliaran akselerator volt elektron diperlukan untuk memungkinkan penemuan antiproton.

Ketika proton bertemu antiproton, mereka akan musnah. Karena nukleon mentransfer energi melalui medan meson, selama pemusnahan massa dan energinya akan diberikan ke kuanta medan ini - meson.

Tidak ada keraguan bahwa proses ini akan dipelajari secara rinci di tahun-tahun mendatang.

pada gambar. 246 menunjukkan foto pemusnahan proton dan antiproton. Proses diamati dalam ruang gelembung yang diisi dengan propana cair. Diagram proses ditampilkan di kiri atas.

Pertimbangan tentang perlunya keberadaan antipartikel juga berlaku untuk neutrino. Gambar "cermin" disebut antineutrino. Perbedaan antara partikel yang membentuk doublet adalah sama dengan neutron dan antineutron.

Dalam bentuk doublet, ada juga muon, serta partikel dasar lainnya, yang tidak kita bicarakan.

Muon adalah triplet: muon terjadi dalam bentuk varietas dengan muatan plus dan minus, serta dengan muatan sama dengan nol. Tidak seperti neutron dan neutrino, muon netral tanpa spin tidak dapat memiliki antipartikel (bisa juga dikatakan: ia bertepatan dengan antipartikelnya). Partikel lain yang tidak memiliki "pantulan" adalah foton.