La antimateria es como una sustancia en todos los sentidos. Se formaron simultáneamente y de una sola fuente. Como resultado, hay muchos y prácticamente no hay otros. Debe haber alguna explicación para esto.
Todo lo que entramos en contacto en nuestra vida está hecho de materia. La copa que tenemos en la mano está formada por moléculas, moléculas - de átomos, átomos, contrario a su nombre ("átomo" en griego significa "indivisible") - de electrones, protones y neutrones. Los dos últimos son llamados "bariones" por los científicos. Se pueden dividir aún más, en quarks, y tal vez incluso más, pero por ahora nos detendremos en esto. Juntos forman materia.
Como todos nuestros lectores saben, la materia tiene una antípoda: la antimateria. Cuando entran en contacto, se aniquilan con la liberación de una energía muy grande: se aniquilan. Según los cálculos de los físicos, un trozo de antimateria del tamaño de un ladrillo, al chocar contra la Tierra, puede provocar un efecto similar al de la explosión de una bomba de hidrógeno. En todos los demás aspectos, las antípodas son similares: la antimateria tiene masa, las leyes de la física se aplican plenamente a ella, pero su carga eléctrica es opuesta. Para un antiprotón es negativo y para un positrón (antielectrón) es positivo. Y además, la antimateria prácticamente no se da en la realidad que nos rodea.
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La búsqueda de la antimateria
¿O está en alguna parte? No hay nada imposible en tal suposición, pero vivimos en el mundo, aunque no podamos estrechar la mano de nuestras antípodas. Es muy posible que también vivan en algún lugar.
Probablemente todas las galaxias que se observan hoy están compuestas de materia ordinaria. De lo contrario, sus límites serían una zona de aniquilación casi continua con la materia circundante, sería visible desde lejos. Los observatorios de la Tierra registrarían los cuantos de energía formados durante la aniquilación. Hasta que esto suceda.
La evidencia de la presencia en el Universo de cantidades notables de antimateria podría ser el descubrimiento en algún lugar del espacio (en la Tierra, debido a la alta densidad de materia, es claramente inútil buscar núcleos de antihelio). Dos antiprotones, dos antineutrones. Las antipartículas que forman tal núcleo se producen regularmente en colisiones de partículas de alta energía en aceleradores terrestres y, naturalmente, cuando la materia es bombardeada por rayos cósmicos. Su descubrimiento no nos dice nada. Pero el antihelio puede formarse de la misma manera si cuatro de sus partículas constituyentes nacen simultáneamente en un lugar. Esto no puede llamarse completamente imposible, pero tal evento en todo el Universo ocurre aproximadamente una vez cada quince mil millones de años, lo cual es bastante comparable con el momento de su existencia.
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Preparación para lanzar un globo con un detector de partículas espaciales como parte del experimento BESS. El detector es visible en primer plano y pesa 3 toneladas. / & Copiar; i.wp-b.com
Por lo tanto, la detección de antihelio bien puede considerarse, si no como un saludo de las antípodas, entonces como evidencia de que en algún lugar de las profundidades del espacio, flota un trozo de antimateria de tamaño decente. Entonces voló desde allí.
Por desgracia, los repetidos intentos de buscar antihelio en las capas superiores de la atmósfera terrestre o al acercarse a ella aún no han tenido éxito. Por supuesto, este es el caso cuando "la ausencia de rastros de pólvora en las manos no prueba nada". Bien puede ser que esté muy lejos para volar (del orden de miles de millones de años luz), y entrar en un detector pequeño en un planeta pequeño es aún más difícil. Y seguro, si el detector fuera más sensible (y más caro), nuestras posibilidades de éxito serían mayores.
Las anti-estrellas, si estuvieran en la naturaleza, en el curso de las reacciones termonucleares generarían el mismo flujo de antineutrinos, como las estrellas ordinarias, un flujo de sus antípodas. Deben formarse los mismos antineutrinos durante las explosiones de antisupernova. Hasta el momento no se ha descubierto ni uno ni otro, pero cabe señalar que la astronomía de neutrinos en general está dando sus primeros pasos.
Detector Observatorio de neutrinos de Sudbury (SNO), Canadá. / & Copiar; squarespace.com
En cualquier caso, todavía no tenemos información confiable sobre la existencia de cantidades apreciables de antimateria en el Universo.
Esto es bueno y malo al mismo tiempo. Es malo porque, según los conceptos modernos, en los primeros momentos después del Big Bang se formaron tanto la materia como la antimateria. Posteriormente, se aniquilaron, dando lugar a una radiación cósmica relicta. La cantidad de fotones que contiene es muy grande, es aproximadamente mil millones de veces mayor que la cantidad de bariones (es decir, protones y neutrones) en el Universo. En otras palabras, en algún momento, al principio de los tiempos, la sustancia en el Universo resultó ser una mil millonésima más que la antimateria. Luego, todo lo "superfluo" desapareció, se aniquiló y quedó una milmillonésima parte. El resultado es lo que se llama asimetría bariónica en la literatura especial.
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Para los físicos, el desequilibrio es un problema porque tiene que explicarse de alguna manera. Al menos en el caso de objetos que, en todos los demás aspectos, se comportan simétricamente.
Y para nosotros (incluidos los físicos) esto es bueno, porque con las mismas cantidades de materia y antimateria, se produciría la aniquilación completa, el Universo estaría vacío y no habría nadie para hacer preguntas.
Términos de Sajarov
Los científicos se dieron cuenta de la existencia de un gran problema cosmológico en algún momento a mediados del siglo XX. Las condiciones bajo las cuales el Universo se convierte en la forma en que lo vemos fueron formuladas por Andrei Sakharov en 1967 y desde entonces han sido un "lugar común" de la literatura temática, al menos en ruso e inglés. En una forma muy simplificada, se ven así.
Primero, bajo algunas condiciones, que probablemente existieron en el Universo temprano, las leyes de la física aún funcionan de manera diferente para la materia y la antimateria.
En segundo lugar, en este caso, el número de bariones puede no conservarse, es decir, el número de bariones después de la reacción no es igual al anterior.
En tercer lugar, el proceso debe proceder de manera explosiva, es decir, debe ser un desequilibrio. Esto es importante, porque en equilibrio las concentraciones de sustancias tienden a igualarse y necesitamos obtener algo diferente.
A. D. Sajarov, finales de la década de 1960. / & Copiar; thematicnews.com
Aquí es donde termina la parte generalmente aceptada de la explicación, y luego reinan las hipótesis en medio siglo. El más autorizado en este momento conecta el incidente con la interacción electrodébil. Echemos un vistazo más de cerca a ella.
Espacio de ebullición
Para explicar qué pasó con nuestra materia, tendremos que esforzarnos en la imaginación e imaginar que existe un determinado campo en el Universo. Todavía no sabemos nada sobre su existencia y propiedades, excepto que está asociado con la distribución de materia y antimateria en el espacio y es hasta cierto punto similar a la temperatura a la que estamos acostumbrados, en particular, puede tomar valores mayores y menores, hasta cierto nivel, que pueden ser comparados. punto de ebullición.
Inicialmente, la materia del universo se encuentra en un estado mixto. Hace mucho “calor” alrededor - las comillas podrían omitirse aquí, ya que la temperatura habitual también es muy alta, pero estamos hablando de su análogo imaginario. Este análogo "hierve" - el valor máximo.
A medida que el espacio se expande, las "gotas" comienzan a condensarse desde el "vapor" inicial, en el que es "más frío". Hasta ahora, todo se ve exactamente igual que con el agua: si el vapor sobrecalentado está en un recipiente, cuyo volumen aumenta lo suficientemente rápido, se produce un enfriamiento adiabático. Si es lo suficientemente fuerte, parte del agua caerá como líquido.
Agua condensada de vapor. / & Copiar; 3.bp.blogspot.com
Algo parecido ocurre con la materia en el espacio. A medida que crece el volumen del Universo, aumenta el número y el tamaño de las "gotas". Pero entonces comienza algo que no tiene analogías en el mundo al que estamos acostumbrados.
Las condiciones para la penetración de partículas y antipartículas en las "gotas" no son las mismas, es un poco más fácil para las partículas hacer esto. Como resultado, se viola la igualdad inicial de concentraciones, en el "líquido" condensado hay un poco más de sustancia, y en la "fase de ebullición", su antípoda. En este caso, el número total de bariones permanece sin cambios.
Y luego, en la "fase de ebullición", comienzan a actuar los efectos cuánticos de los campos electrodébiles que interactúan, lo que, al parecer, no debería cambiar el número de bariones, sino que en realidad igualaría el número de partículas y antipartículas. Estrictamente hablando, este proceso también se realiza en "gotas", pero allí es menos efectivo. Por tanto, se reduce el número total de antipartículas. Esto está escrito brevemente y, por supuesto, muy simplificado, de hecho, todo es mucho más interesante, pero ahora no entraremos en teoría profunda.
Dos efectos resultan clave para explicar la situación. La anomalía cuántica de las interacciones electrodébiles es un hecho observado, se descubrió en 1976. La diferencia en la probabilidad de que las partículas penetren en la zona de condensación es un hecho calculado y, por tanto, hipotético. El campo en sí, que "hierve" y luego se enfría, aún no se detecta. Al formar la teoría, se asumió que este es el campo de Higgs, pero luego del descubrimiento del famoso bosón, resultó que no tenía nada que ver con él. Es muy posible que su apertura todavía esté esperando entre bastidores. O tal vez no, y entonces los cosmólogos tendrán que inventar otras explicaciones. El universo ha estado esperando esto durante quince mil millones de años, puede esperar otro.
Sergey Sysoev
