Antimaterie is in elk opzicht als een stof. Ze werden gelijktijdig en vanuit één bron gevormd. Het resultaat is dat er veel is, en er is praktisch geen ander. Hier moet een verklaring voor zijn.
Alles waarmee we in ons leven in aanraking komen, is gemaakt van materie. De beker die we in onze hand houden, bestaat uit moleculen, moleculen - van atomen, atomen, in tegenstelling tot hun naam ("atoom" betekent in het Grieks "ondeelbaar") - van elektronen, protonen en neutronen. De laatste twee worden door wetenschappers "baryons" genoemd. Ze kunnen verder worden onderverdeeld, in quarks, en misschien zelfs nog verder, maar voorlopig zullen we hier bij stilstaan. Samen vormen ze materie.
Zoals al onze lezers weten, heeft materie een antipode: antimaterie. Wanneer ze in contact komen, vernietigen ze door het vrijkomen van zeer grote energie - ze vernietigen. Volgens de berekeningen van natuurkundigen kan een stuk antimaterie ter grootte van een baksteen dat de aarde raakt, een effect veroorzaken dat lijkt op de explosie van een waterstofbom. In alle andere opzichten zijn de antipoden vergelijkbaar: antimaterie heeft massa, de wetten van de fysica zijn er volledig op van toepassing, maar de elektrische lading is tegengesteld. Voor een antiproton is het negatief en voor een positron (antielectron) is het positief. En ook antimaterie komt praktisch niet voor in de werkelijkheid om ons heen.
De zoektocht naar antimaterie
Of is het daar ergens? Er is niets onmogelijk in zo'n veronderstelling, maar we leven in de wereld, ook al kunnen we onze tegenvoeters geen hand geven. Het is goed mogelijk dat ze ook ergens wonen.
Waarschijnlijk bestaan alle sterrenstelsels die tegenwoordig worden waargenomen uit gewone materie. Anders zouden hun grenzen een zone zijn van bijna continue vernietiging met de omringende materie, het zou van ver zichtbaar zijn. Aardobservatoria zouden energiekwanten registreren die tijdens vernietiging worden gevormd. Totdat dit gebeurt.
Bewijs van de aanwezigheid in het heelal van merkbare hoeveelheden antimaterie zou de ontdekking ergens in de ruimte kunnen zijn (op aarde is het, vanwege de hoge dichtheid van materie, duidelijk nutteloos om naar antiheliumkernen te zoeken). Twee antiprotonen, twee antineutronen. De antideeltjes waaruit zo'n kern bestaat, worden regelmatig geproduceerd bij botsingen van hoogenergetische deeltjes in aardse versnellers en natuurlijk wanneer materie wordt gebombardeerd door kosmische straling. Hun ontdekking zegt ons niets. Maar antihelium kan op dezelfde manier worden gevormd als vier van de samenstellende deeltjes tegelijkertijd op één plaats worden geboren. Dit kan niet helemaal onmogelijk worden genoemd, maar zo'n gebeurtenis in het hele universum gebeurt ongeveer eens in de vijftien miljard jaar, wat redelijk vergelijkbaar is met de tijd van zijn bestaan.
Promotie video:
Voorbereiding voor het lanceren van een ballon met een ruimtedeeltjesdetector als onderdeel van het BESS-experiment. De detector is zichtbaar op de voorgrond en weegt 3 ton. / & kopiëren; i.wp-b.com
Daarom kan de detectie van antihelium worden beschouwd, zo niet als een groet van de antipoden, dan als bewijs dat ergens in de diepten van de ruimte een stukje antimaterie van behoorlijke omvang zweeft. Dus het vloog vanaf daar.
Helaas hebben herhaalde pogingen om antihelium te zoeken in de bovenste lagen van de aardatmosfeer of bij de nadering ervan nog geen succes gehad. Dit is natuurlijk het geval wanneer "de afwezigheid van sporen van buskruit op de handen niets bewijst". Het kan best zijn dat het gewoon heel ver was om te vliegen (in de orde van miljarden lichtjaren), en het is zelfs nog moeilijker om in een kleine detector op een kleine planeet te komen. En als de detector gevoeliger (en duurder) zou zijn, zouden onze kansen op succes natuurlijk groter zijn.
Anti-sterren, als ze toevallig in de natuur zouden zijn, zouden tijdens thermonucleaire reacties dezelfde flux van antineutrino's genereren als gewone sterren - de flux van hun antipoden. Dezelfde antineutrino's moeten worden gevormd tijdens antisupernova-explosies. Tot dusverre is noch het een noch het ander ontdekt, maar er moet worden opgemerkt dat neutrino-astronomie over het algemeen haar eerste stappen zet.
Detector Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Canada. / & kopiëren; squarespace.com
In ieder geval hebben we nog geen betrouwbare informatie over het bestaan van aanzienlijke hoeveelheden antimaterie in het heelal.
Dit is goed en slecht tegelijk. Het is slecht omdat, volgens moderne concepten, in de eerste momenten na de oerknal zowel materie als antimaterie werden gevormd. Vervolgens vernietigden ze, wat aanleiding gaf tot relict-kosmische straling. Het aantal fotonen erin is erg groot, het is ongeveer een miljard keer groter dan het aantal baryonen (d.w.z. protonen en neutronen) in het heelal. Met andere woorden, ergens aan het begin van de tijd bleek de substantie in het heelal een miljardste meer te zijn dan antimaterie. Toen verdween al het 'overtollige', werd vernietigd en bleef een miljardste deel over. Het resultaat is wat in de speciale literatuur baryon-asymmetrie wordt genoemd.
Voor natuurkundigen is onbalans een probleem omdat het op de een of andere manier moet worden verklaard. Tenminste bij objecten die zich in alle andere opzichten symmetrisch gedragen.
Maar voor ons (inclusief natuurkundigen) is dit goed, want met dezelfde hoeveelheden materie en antimaterie zou volledige vernietiging plaatsvinden, zou het universum leeg zijn en zou er niemand zijn om vragen te stellen.
Sacharovs voorwaarden
Wetenschappers realiseerden zich ergens in het midden van de 20e eeuw dat er een groot kosmologisch probleem bestond. De omstandigheden waaronder het universum wordt zoals we het zien, werden in 1967 geformuleerd door Andrei Sacharov en zijn sindsdien een "gemeenschappelijke plaats" van thematische literatuur, althans in het Russisch en Engels. In een sterk vereenvoudigde vorm zien ze er zo uit.
Ten eerste, onder bepaalde omstandigheden, die waarschijnlijk al in het vroege heelal bestonden, werken de wetten van de fysica nog steeds anders voor materie en antimaterie.
Ten tweede is het in dit geval mogelijk dat het baryongetal niet behouden blijft, d.w.z. het aantal baryonen na de reactie is niet gelijk aan dat ervoor.
Ten derde moet het proces explosief verlopen, dat wil zeggen, het mag niet in evenwicht zijn. Dit is belangrijk, omdat in evenwicht de concentraties van stoffen de neiging hebben om gelijk te worden, en we moeten iets anders krijgen.
A. D. Sacharov, eind jaren zestig. / & kopiëren; thematicnews.com
Dit is waar het algemeen aanvaarde deel van de uitleg eindigt, en dan regeren hypothesen in een halve eeuw. De meest gezaghebbende van dit moment verbindt het incident met de elektrozwakke interactie. Laten we haar eens nader bekijken.
Kookruimte
Om uit te leggen wat er met onze materie is gebeurd, zullen we onze verbeelding moeten belasten en ons moeten voorstellen dat er een bepaald veld in het universum is. We weten nog niets over het bestaan en de eigenschappen ervan, behalve dat het wordt geassocieerd met de verdeling van materie en antimaterie in de ruimte en tot op zekere hoogte vergelijkbaar is met de temperatuur die we gewend zijn, in het bijzonder kan het steeds kleinere waarden aannemen, tot een bepaald niveau, dat kan worden vergeleken kookpunt.
Aanvankelijk verkeert materie in het universum in een gemengde toestand. Het is in de buurt erg 'heet' - de aanhalingstekens kunnen hier worden weggelaten, aangezien de gebruikelijke temperatuur ook erg hoog is, maar we hebben het over de denkbeeldige analoog ervan. Deze analoge "kookt" - de maximale waarde.
Naarmate de ruimte groter wordt, beginnen "druppels" te condenseren vanaf de oorspronkelijke "damp", waarin het "koeler" is. Tot nu toe ziet alles er precies hetzelfde uit als bij water - als de oververhitte stoom zich in een vat bevindt waarvan het volume snel genoeg toeneemt, vindt adiabatische afkoeling plaats. Als het sterk genoeg is, zal een deel van het water als vloeistof eruit vallen.
Water gecondenseerd uit stoom. / & kopiëren; 3.bp.blogspot.com
Iets soortgelijks gebeurt met materie in de ruimte. Naarmate het volume van het universum groeit, neemt het aantal en de grootte van "druppels" toe. Maar dan begint er iets dat geen analogieën heeft in de wereld die we gewend zijn.
De condities voor penetratie van deeltjes en antideeltjes in de "druppels" zijn niet hetzelfde, het is iets gemakkelijker voor deeltjes om dit te doen. Als gevolg hiervan wordt de aanvankelijke gelijkheid van concentraties geschonden, in de gecondenseerde "vloeistof" is er iets meer substantie, en in de "kookfase" - zijn antipode. In dit geval blijft het totale aantal baryonen ongewijzigd.
En dan, in de "kookfase", beginnen kwantumeffecten van op elkaar inwerkende elektrozwakke velden te werken, wat, naar het schijnt, het aantal baryonen niet zou moeten veranderen, maar in werkelijkheid het aantal deeltjes en antideeltjes gelijk zou moeten maken. Strikt genomen vindt dit proces ook plaats in “druppels”, maar daar is het minder effectief. Zo wordt het totale aantal antideeltjes verminderd. Dit is kort geschreven en, natuurlijk, erg vereenvoudigd, in feite is alles veel interessanter, maar we zullen nu niet op de diepe theorie ingaan.
Twee effecten blijken de sleutel te zijn om de situatie te verklaren. De kwantumanomalie van elektrozwakke interacties is een waargenomen feit, het werd ontdekt in 1976. Het verschil in waarschijnlijkheid dat deeltjes de condensatiezone binnendringen, is een berekend feit en daarom hypothetisch. Het veld zelf, dat "kookt" en vervolgens afkoelt, wordt nog niet gedetecteerd. Bij het vormen van de theorie werd aangenomen dat dit het Higgs-veld is, maar na de ontdekking van het beroemde boson bleek dat het er niets mee te maken had. Het is heel goed mogelijk dat de opening ervan nog in de vleugels wacht. Of misschien niet - en dan zullen kosmologen andere verklaringen moeten verzinnen. Het universum wacht hier al vijftien miljard jaar op, het kan nog een ander wachten.
Sergey Sysoev
