Je kleiner wir studieren, desto grundlegender wird uns das Wissen über die Natur offenbart. Wenn wir die kleinsten vorhandenen Objekte verstehen und beschreiben könnten, könnten wir auf dieser Grundlage ein Verständnis der großen Objekte aufbauen. Wir wissen jedoch nicht, ob die Minimierung des Speicherplatzes begrenzt ist.
Es gibt Regeln in unserem Universum, die wir nie beobachtet haben. Wir erwarten, dass einige von ihnen nie verletzt wurden. Nichts kann schneller reisen als Licht. Wenn zwei Quanten interagieren, bleibt immer Energie erhalten. Sie können keinen Impuls und Drehimpuls erzeugen oder zerstören. Usw. Aber einige dieser Regeln, obwohl wir sie nicht gesehen haben, müssen irgendwann in der Vergangenheit gebrochen worden sein.
Eine davon ist die Symmetrie von Materie und Antimaterie. Jede Wechselwirkung, in der Materieteilchen geboren oder zerstört werden, zerstört oder erzeugt eine gleiche Anzahl ihrer Gegenstücke aus der Welt der Antimaterie - Antiteilchen. In Anbetracht der Tatsache, dass unser Universum fast ausschließlich aus Materie besteht und fast keine Antimaterie enthält (es gibt keine Sterne, Galaxien oder stabilen kosmischen Strukturen aus Antimaterie), wurde diese Symmetrie in der Vergangenheit offensichtlich gebrochen. Wie genau dies geschah, bleibt jedoch ein Rätsel. Das Geheimnis der Materie / Antimaterie-Asymmetrie bleibt eine der größten offenen Fragen in der Physik.
Außerdem sagen wir normalerweise "Teilchen", was die Bestandteile der Materie bedeutet, und "Antiteilchen", was die Bestandteile der Antimaterie impliziert, aber dies ist nicht ganz richtig. Teilchen sind nicht immer wichtig, und Antiteilchen sind nicht immer Antimaterie. Dies ist, was die Wissenschaft über diese kontraintuitive Situation zu sagen hat.
Von makroskopischen bis zu subatomaren Skalen spielt die Größe der Grundpartikel eine geringe Rolle bei der Bestimmung der Größe von Verbundstrukturen. Es ist noch nicht bekannt, ob diese Bausteine wirklich fundamentale und punktuelle Teilchen sind, aber wir verstehen, wie das Universum von großen kosmischen Skalen bis zu kleinen subatomaren funktioniert. Der menschliche Körper enthält etwa 10 28 Atome.
Wenn Sie sich die Materialien vorstellen, die auf der Erde zu finden sind, werden Sie wahrscheinlich annehmen, dass 100% von ihnen aus Materie bestehen. So ist es ungefähr - fast unser ganzer Planet besteht aus Materie. Es besteht auch aus Protonen, Neutronen und Elektronen - und all dies sind Materieteilchen. Protonen und Neutronen sind zusammengesetzte Teilchen aus Auf- und Ab-Quarks, die sich mit Gluonen verbinden und die Atomkerne bilden. An diese Kerne sind Elektronen gebunden - so dass die gesamte elektrische Ladung des Atoms Null ist und die Elektronen durch elektromagnetische Wechselwirkung, die durch den Austausch von Photonen übertragen wird, mit den Kernen verbunden sind.
In regelmäßigen Abständen zerfällt jedoch eines der Teilchen im Atomkern radioaktiv. Ein typisches Beispiel ist der Beta-Zerfall... Eines der Neutronen verwandelt sich in ein Proton, das ein Elektron und ein Elektronenantineutrino emittiert. Indem Sie die Eigenschaften der verschiedenen Teilchen und Antiteilchen untersuchen, die an diesem Zerfall beteiligt sind, können Sie viel über das Universum lernen.
Schematische Darstellung des nuklearen Beta-Zerfalls in einem massiven Atomkern. Der Beta-Zerfall funktioniert durch schwache Wechselwirkungen und wandelt ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektronenantineutrino um. Vor der Entdeckung von Neutrinos schienen Energie und Impuls bei Beta-Zerfällen nicht erhalten zu sein.
Das Neutron, mit dem wir begonnen haben, hat die folgenden Eigenschaften:
- Es ist elektrisch neutral, seine Gesamtladung ist Null.
- Es besteht aus drei Quarks - zwei unteren (mit elektrischen Ladungen von -1/3) und einem oberen (mit elektrischen Ladungen von 2/3).
- Es enthält ca. 939 MeV Energie in Form einer Ruhemasse.
Die Teilchen, in die es zerfällt - ein Proton, ein Elektron und ein Elektronenantineutrino - haben auch ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften.
- Die elektrische Ladung eines Protons beträgt +1, es besteht aus einem Abwärts- und zwei Aufwärtsquarks und es enthält etwa 938 MeV Energie in seiner Ruhemasse.
- Die elektrische Ladung eines Elektrons beträgt -1, es ist ein grundsätzlich unsichtbares Teilchen und es speichert etwa 0,5 MeV Energie in seiner Ruhemasse.
- Ein Elektronenantineutrino hat keine elektrische Ladung, es ist ein grundsätzlich unsichtbares Teilchen, seine Ruhemasse ist unbekannt (aber größer als Null) und es sind nicht mehr als 0,0000001 MeV Energie darin gespeichert.
Alle verbindlichen Erhaltungsgesetze sind noch vorhanden. Die Energie wird erhalten und eine kleine Menge "zusätzlicher" Neutronenenergie wird in kinetische Energie der resultierenden Teilchen umgewandelt. Der Impuls bleibt erhalten und die Summe der Impulse der resultierenden Teilchen ist immer gleich dem Anfangsmoment des Neutrons. Wir wollen jedoch nicht nur untersuchen, wo wir angefangen haben und wo wir gelandet sind - wir wollen wissen, wie es passiert ist.
Freie Neutronen sind instabil. Sie haben eine Halbwertszeit von 10,3 Minuten und zerfallen in Protonen, Elektronen und Elektronenantineutrinos. Wenn Sie ein Neutron in ein Antineutron ändern, ändern sich alle Partikel in die entsprechenden Antiteilchen. Materie wird durch Antimaterie und Antimaterie durch Materie ersetzt.
Nach der Quantentheorie erfordert der Zerfall ein Teilchen, das ihn steuert. In der Quantentheorie schwacher Wechselwirkungen, die diesen Prozess beschreibt, wird dies vom W - Boson durchgeführt , das die Rolle eines der unteren Quarks des Neutrons spielt. Mal sehen, was mit fundamentalen Partikeln passiert.
Einer der down - Quarks in ein Neutron emittiert ein virtuelles W - Boson, die verwandelt sich in ein bis Quark. Bei dieser Wechselwirkung bleibt die Anzahl der Quarks erhalten.
Virtuelles W -Ein Boson kann in viele verschiedene Teilchen zerfallen, aber dieser Prozess ist durch das Gesetz der Energieerhaltung begrenzt. Seine endgültigen Zerfallsprodukte sollten nicht mehr Energie haben als die Differenz der Ruhemasse zwischen einem Neutron und einem Proton.
Daher wird zum größten Teil ein Elektron im Zerfall (um eine negative Ladung wegzutragen) und ein Elektronenantineutrino geboren. In seltenen Fällen können Sie einen Strahlungszerfall beobachten, der zu einem zusätzlichen Photon führt. Grundsätzlich ist es möglich, das W - Boson in eine Kombination von Quarks und Antiquarks (z. B. von unten nach oben und von oben nach oben) zerfallen zu lassen, dies erfordert jedoch zu viel Energie - mehr als durch Zerfall eines Neutrons in ein Proton.
Unter normalen Bedingungen niedriger Energien zerfällt ein freies Neutron durch schwache Wechselwirkung in ein Proton - in diesem Fall nimmt die Zeit im Diagramm nach oben zu. Bei ausreichend hohen Energien kann diese Reaktion in die entgegengesetzte Richtung verlaufen. Ein Proton und ein Positron oder Neutrino können interagieren, um ein Neutron zu erzeugen. Wenn also ein Proton mit einem Proton interagiert, kann ein Deuteron auftreten. So funktioniert der erste kritische Syntheseschritt in der Sonne.
Lassen Sie uns nun alles gespiegelt umdrehen und von Materie zu Antimaterie übergehen. Stellen wir uns statt des Zerfalls eines Neutrons den Zerfall eines Antineutrons vor. Die Eigenschaften des Antineutrons sind den zuvor erwähnten Eigenschaften des Neutrons sehr ähnlich, es gibt jedoch auch wichtige Unterschiede:
- Es ist elektrisch neutral, seine Gesamtladung ist Null.
- – ( +1/3) ( -2/3).
- 939 .
Beim Übergang von Materie zu Antimaterie haben wir einfach alle Partikel durch ihre Antimaterie-Gegenstücke ersetzt. Die Massen blieben gleich, die Zusammensetzung (unter Berücksichtigung des "Anti" -Präfixes) blieb gleich und die elektrische Ladung änderte sich zum Gegenteil. Und obwohl das Neutron und das Antineutron elektrisch neutral sind, hat sich die Ladung ihrer Komponenten geändert.
Und das kann man übrigens messen! Obwohl die Ladung neutral ist, hat das Elektron eine sogenannte. magnetisches Moment , für das sowohl Spin als auch elektrische Ladung benötigt werden. Wir konnten sein magnetisches Moment messen - es entspricht -1,91 Bohr-Magnetonen . Das magnetische Moment des Antineutrons beträgt +1,91 Bohr-Magnetonen. Die gesamte geladene Füllung sollte das Gegenteil von Materie und Antimaterie sein.
Dank Experimenten und neuen theoretischen Studien konnten wir die innere Struktur von Nukleonen, Protonen und Neutronen besser verstehen, einschließlich der Verteilung des "Meeres" aus Quarks und Gluonen. Studien ermöglichen es uns, den größten Teil der Masse der Baryonen sowie ihre nichttrivialen magnetischen Momente zu erklären.
Beim Zerfall emittiert ein Anti-Lower-Quark ein W + -Boson, einen Zwilling von W - ein Antimaterie-Boson, das den Anti-Lower-Quark in einen Anti-Upper-Quark verwandelt. Boson W +nach wie vor virtuell - es kann nicht beobachtet werden und es gibt nicht genug Masse / Energie, um ein "reales" Boson zu erzeugen. Es sind jedoch seine Zerfallsprodukte sichtbar - ein Positron und ein Elektronenneutrino. (Ja, es können auch Strahlungseffekte auftreten - in seltenen Fällen werden den Zerfallsprodukten ein oder mehrere Photonen hinzugefügt). Alles stellt sich als Spiegelbild der vorherigen Version heraus, jedes Materieteilchen verwandelt sich in ein Doppel der Antimaterie und Teilchen der Antimaterie (wie Elektronenantineutrinos) - umgekehrt.
Die Materialien, die auf der Erde zu finden sind, bestehen fast alle aus Materie - Protonen, Neutronen und Elektronen. Ein kleiner Teil dieser Neutronen zerfällt, was bedeutet, dass wir auch W - habenBosonen, zusätzliche Protonen und Elektronen (und Photonen) und einige Elektronenantineutrinos. Alles, was wir wissen, wird vom Standardmodell gut beschrieben, und es gibt genügend Partikel und Antiteilchen, um alles zu beschreiben. [klickbar] Das Standardmodell hilft uns zu bestimmen, welche Partikel in der Realität existieren und welche Antiteilchen für jedes von ihnen. Und obwohl das Universum hauptsächlich aus Materie besteht und nur Spuren von Antimaterie enthält, kann nicht jedes Teilchen nur Materie oder Antimaterie zugeordnet werden.
Wir könnten die Erde durch "Anti-Erde" ersetzen, eine anti-materielle Version von uns. Dann würden wir einfach jedes Partikel durch das entsprechende Antiteilchen ersetzen. Anstelle von Protonen und Neutronen (bestehend aus Quarks und Gluonen) hätten wir Antiprotonen und Antineutrons (bestehend aus Antiquarks, aber mit denselben 8 Gluonen). Anstelle des Zerfalls von Neutronen über das W - Boson würde das Antineutron über das W + Boson zerfallen . Anstatt ein Elektron und ein Elektronenantineutrino (und manchmal ein Photon) zu erhalten, würden wir ein Positron und ein Elektronenneutrino (und manchmal ein Photon) erhalten.
Normale Materie im Universum besteht aus Quarks und Leptonen. Quarks bilden Protonen und Neutronen (und Baryonen im Allgemeinen), und Leptonen umfassen Elektronen und ihre schwereren Verwandten sowie drei gewöhnliche Neutrinos. Auf der Rückseite befinden sich Antiteilchen, aus denen Antimaterie besteht - Antiquarks und Antileptonen. Obwohl gewöhnliche Zerfälle verschiedene Wege Einbeziehung der W folgen - und W + Bosonen , gibt es eine kleine Menge von Anti - Materie in Form von Positronen und Elektronen - Antineutrinos. Dies wäre selbst dann der Fall, wenn wir das gesamte äußere Universum, einschließlich der Sonne, der kosmischen Strahlung und anderer Partikel- und Energiequellen, irgendwie "loswerden" könnten.
Teilchen und Antiteilchen des Standardmodells, deren Existenz durch die Gesetze der Physik vorhergesagt wird. Quarks und Leptonen sind Fermionen und Materie. Antiquarks und Antileptonen sind Antifermionen und Antimaterie. Bosonen sind jedoch weder Materie noch Antimaterie.
Aber was ist mit dem Rest der Partikel und Antiteilchen? Wenn wir über Materie und Antimaterie sprechen, sprechen wir nur über Fermionen - Quarks und Leptonen. Es gibt jedoch auch Bosonen:
- 1 Photon, ein Vermittler bei elektromagnetischer Strahlung.
- 8 Gluonen, Vermittler der starken Atomkraft.
- 3 schwache Bosonen, W + , W - und Z 0 , Mediatoren bei schwachen Wechselwirkungen und schwachen Zerfällen sowie das Higgs-Boson, das sich von allen anderen unterscheidet.
Einige der Teilchen sind Antiteilchen für sich selbst - das Photon, das Z 0 und das Higgs-Boson. W + ist ein Antiteilchen für W - und drei Paare von Gluonen sind eindeutig Antiteilchen für einander (beim vierten Paar ist alles etwas komplizierter).
Wenn Sie ein Teilchen mit seinem Antiteilchen kollidieren, vernichten sie sich und können alles abgeben, was genug Energie ist, unter Berücksichtigung aller Quantenerhaltungsgesetze - Energie, Impuls, Drehimpuls, elektrische Ladung, Baryonenzahl, Leptonzahl, Leptonfamilienzahl usw. usw. usw. Gleiches gilt für Partikel, die für sich selbst Antiteilchen sind.
Eine äquosymmetrische Sammlung von Materie- und Antimaterie-Bosonen (X und Y sowie Anti-X mit Anti-Y) mit den richtigen GUT-Eigenschaften könnte zu der Asymmetrie von Materie und Antimaterie führen, die wir heute im Universum sehen.
Es ist hier bemerkenswert, wie die Idee der Opposition von "Materie" und "Antimaterie" erscheint. Wenn Sie eine positive Baryonen- oder Leptonzahl haben, sind Sie wichtig. Wenn negativ, sind Sie Antimaterie. Und wenn Sie keine Baryon- oder Lepton-Nummer haben, sind Sie weder Materie noch Antimaterie! Obwohl es zwei Arten von Partikeln gibt - Fermionen (Quarks und Leptonen) und Bosonen (alles andere) - können in unserem Universum nur Fermionen Materie oder Antimaterie sein.
Wenn sich Neutrinos als Majorana-Fermionen herausstellen muss die Theorie überarbeitet werden - schließlich können Majorana-Fermionen für sich selbst Antiteilchen sein.
Dies bedeutet, dass zusammengesetzte Partikel wie Pionen oder andere Mesonen, die aus Kombinationen von Quarks und Antiquarks bestehen, nicht zu Materie oder Antimaterie gehören - sie bestehen aus beiden. Positronium - ein Elektron und ein Positron, die miteinander verbunden sind, gilt auch nicht für Materie oder Antimaterie. Wenn es Leptoquarks oder superschwere X- oder Y-Bosonen aus großen Vereinigungstheorien gibtDann werden sie ein Beispiel für Partikel mit Baryon- und Leptonzahlen sein - für sie gibt es Optionen sowohl für Materie als auch für Antimaterie. Wenn die Theorie der Supersymmetrie korrekt wäre, hätten wir fermionische Gegenstücke von Photonen - Photinos -, die weder Materie noch Antimaterie sind. Wir könnten sogar supersymmetrische Bosonen haben - Squarks - und dann würden ihre Versionen von Partikeln und Antiteilchen in Materie und Antimaterie unterteilt. Standardmodellpartikel und ihre supersymmetrischen Gegenstücke. Etwas weniger als die Hälfte von ihnen wurde gefunden, und noch hat niemand Beweise für die Existenz des Restes gesehen. Supersymmetrie sollte das Standardmodell verbessern, muss jedoch noch erfolgreiche Vorhersagen treffen.
Es wäre sehr einfach zu bedenken, dass es im Universum Materie gibt, die aus Partikeln besteht, und Antimaterie, die aus ihren Gegenstücken besteht - Antiteilchen. Dies ist teilweise richtig - die meisten Teilchen im Universum bestehen aus dem, was wir als Materie betrachten. Wenn wir alle durch Antimaterie ersetzen, erhalten wir das, was wir als Antimaterie betrachten. Dies ist der Fall für alle Quarks (mit einer Baryonenzahl +1/3), Leptonen (mit einer Leptonzahl +1), Antiquarks (mit einer Baryonenzahl -1/3) und Antileptonen (mit einer Leptonzahl -1). .
Aber alles andere - alle Bosonen, die keine Baryon- und Leptonzahlen haben, alle zusammengesetzten Teilchen, deren Gesamtbaryon- und Leptonzahlen gleich Null sind, befinden sich im Zwischenbereich und gehören nicht zu Materie oder Antimaterie. In diesem Fall kann einer ihrer Typen nicht einem Partikel und der andere einem Antiteilchen zugeordnet werden. Ja, W +und W - können wie ein Teilchen / Antiteilchen vernichten, aber sie können nicht wie alle anderen Bosonen in Materie und Antimaterie unterteilt werden. Sie können sozusagen keinen solchen Status beanspruchen. Es macht keinen Sinn zu fragen, welcher von ihnen Materie und welcher Antimaterie ist. Für einander sind sie Partikel und Antiteilchen, aber keines von ihnen hat die Eigenschaften, die für Materie oder Antimaterie charakteristisch sind.