Antymateria Lustrzane odbicie Wszechświata?

Transkrypt

1 Antymateria Lustrzane odbicie Wszechświata? Mariusz Witek Wykorzystano materiały: Andreas Höcker - CERN Summer Student Lectures 1

2 Through the Looking Glass What s the Matter with Antimatter? David Kirkby, APS,

3 Symetria w fizyce Symetria w fizyce jest pojmowana jako pewna transformacja po której opis układu fizycznego pozostaje niezmieniony. Prawa natury są symetryczne (niezmienne) względem operacji matematycznych Obserwator nie jest w stanie powiedzieć czy dana operacja została zastosowana Pollen of the hollyhock exhibits spherical symmetry (magnification x 100,000) 3

4 Symetrie ciągłe a zasady zachowania Mechanika klasyczna każda ciągła transformacja nie zmieniająca opisu układu fizycznego jest związana z pewnym prawem zachowania (E. Noether, 1915) Transformacje ciągłe prowadzą do addytywnych praw zachowania Symetria Niezmienniczość po przesunieciu w czasie Jednorodność przestrzeni Izotropia przestrzeni Transformacja Przesunięcie w czasie Przesunięcie w przestrzeni Obrót Wielkość zachowywana Energia Pęd Moment pędu Symetrie dokładne nie obserwujemy od nich odstępstw 4

5 Symetrie dyskretne C P T Symetrie dyskretne w świecie makroskopowym są symetriami przybliżonymi Np. symetria obrotu, odbicia i lustrzanego obrót kwadratowego stołu o 90. Stół wygląda na oko tak samo, ale po dokładnych oględzinach można zauważyć, że rogi się różnią i zmieniły pozycje. W mikroświecie sytuacja zmienia się diametralnie. Symetrie dyskretne nabierają nowego znaczenia. Obiekty nie maja już różniących się rogów. Mogą występować tylko w skończonej liczbie stanów Np. rzut spinu elektronu na wybraną oś przyjmuje tylko dwie wartości. Współczesne teorie mikroświata teorie pola są niezmiennicze względem ę złożenia operacji CPT 5

6 Materia - Antymateria Inne spojrzenie na symetrię związaną z zależnością pomiędzy materią i antymaterią Załóżmy, że nawiązaliśmy kontakt z cywilizacją pozaziemską i dostaliśmy propozycję przyjazdu kosmitów na Ziemię Jakie pytanie powinniśmy zadać naszym dalekim przyjaciołom, aby dowiedzieć się czy są zbudowani z materii czy z antymaterii? 6

7 Paul Dirac ( ) Szczególna teoria względności, E>0. E 2 = p 2 + m 2 E = +(p 2 + m 2 ) 1/2, E = -(p 2 + m 2 ) 1/2 Mechanika kwantowa + Szczególna teoria względności ( ) ( ) iγ μ ψ x, t mψ x, t = 0 μ (1928) Dirac, imagining holes and seas in 1928 Energy Ujemne rozwiązanie ą dla E powraca. Pojawiają ją się ę rozwiązania równania Diraca z ujemną energią +m e mm e 0 s = 1/ 2 s =+ 1/ 2 + E Dirac interpretuje je jako dziury w morzu antycząstek E Elektron o energii E może wypełnic tę dziurę, emitując energię 2E i pozostawiając próżnię (efektywnie dziura posiada ładunek +ee i dodatnią energię). Materia i antymateria anihiluje!!! 7

8 Antineutron Pozyton Antiproton incoming Antycząstka incoming discovery dla Elektronu antiproton discovery 1955 antiproton GeV Fixed target threshold Odkryty w promieniowaniu energy required to produce kosmicznym Carl Anderson Antiproton in 1932 (Caltech) chargeexchange reaction into p + p p + p + anti-p + p Reproduction of an Masa taka jak elektronu ale ładunek dodatni antiproton annihilation star neutron-antineutron pair in as seen in nuclear emulsion propane bubble chamber Anderson zobaczył ślad w komorze mgłowej pozostawiony przez coś dodatnio naładowanego i mającego masę taka jak elektron (source: O. Chamberlain, 63 MeV Nobel Lecture) (source: E.G. Segrè, Nobel Lecture) positron track π 6mm Pb plate p + anti-p n + anti-n Historia odkryć antycząstek: 1955: antyproton outgoing (Chamberlain-Segrè, Berkeley) outgoing charged particles 1956: antyneutron (Cork et al., LBNL) 1965: antydeuteron (Zichichi, CERN and Lederman, BNL) annihilation star 23 MeV (large energy positron release from antiproton track destruction) annihilation star (large energy release from antineutron destruction) 1995: antyatom wodoru (CERN, by now millions produced!) Każda cząstka ma swoją antycząstkę Niektóre cząstki są swoimi antycząstkami π (np. foton)! 8

9 Symetrie dyskretne Symetrie dyskretne prowadzą do multiplikatywnych zasad zachowania W odróżnieniu od symetrii ciągłych nie ma fundamentalnej zasady mówiącej, że prawa zachowania związane z symetriami dyskretnymi nie powinny być łamane. Wielkość P C T Wektor przestrzenny x x x Czas t t t Pęd p p p Spin s s s Pole Elektryczne E E E Pole Magnetyczne B B B Symetria odwrócenia biegu czasu jest sprzeczna z obserwacjami świata makroskopowego. Rozbite szklanki nie składają się i nie podskakują z ziemi na stół. Przedmioty będące w spoczynku nie zaczynają przyśpieszać kosztem chaotycznego ruchu cząsteczek podłoża. Jednak w mikroświecie w zderzeniach pojedynczych cząstek elementarnych odwrócenie biegu czasu jest dobrą symetrią. Zderzenie idealnych kul bilardowych oglądane na taśmie filmowej puszczonej do tylu wydaje się zupełnie naturalne. 9

10 CPT grawitacja, elektromagnetyzm, oddz. silne Grawitacja Elektromagnetyzm m dv dt = q( E + v B) Siły jądrowe (oddz. silne) Eksperymenty dowiodły że każda z symetrii C, P i T jest z osobna zachowywana w oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych. 10

11 Niespodzianka dla oddziaływań słabych! T.D. Lee i C.N. Yang zwrócili uwagę w roku 1956 że niezmienniczość P nie została sprawdzona w oddziaływaniach słabych. C.S. Wu przeprowadziła eksperyment w roku 1957, który wskazywał ze parzystość P była łamana. Wielkość P C T Wektor przestrzenny x x x Czas t t t Pęd p p p Spin s s s Pole Elektryczne E E E Pole Magnetyczne B B B Parzystość P i sprzężenie ładunkowe C są łamane w oddziaływaniach słabych maksymalnie Za pomocą oddziaływań słabych możemy odróżnić stronę prawą od lewej! T CO ~ 0.01 K polarized in magnetic field 11

12 def ˆ r r r r r r r r Pψ = ψ p= mv m( v)= p ( ) } ( ) r r r r r r L = p ( ) ( p) = L spin + spin ν lewoskrętne P ν prawoskrętne ν e spin spin spin spin ν ν e e e Pˆ ν 12

13 Symetrią lustrzanego odbicia materiaantymateria jest kombinowana symetria CP Jeżeli jest zachowywana to świat lustrzanego odbicia jest nieodróżnialny 13

14 14

15 Odkrycie łamania symetrii CP Uważano, że w układzie neutralnych kaonów występują dwa stany własne CP o różnych czasach życia: długożyciowy K L i krótkożyciowy K S Obserwowane rozpady na piony: Wierzono, że : CP K S K ( ) 0 =+ KS i CP KL = KL S ππ i K ( πππ ) 0 L Stosunek czasów życia: τ L+ / τ S- = 580 Ale, Cronin, Fitch et al. (BNL) odkryli w 1964 rozpady łamiące CP: K L π + π - Jim Cronin Measurement of opening angle of pion tracks and their invariant mass: K L π + π events Obecny najdokładniejszy pomiar stosunku amplitud: ε = + ( L ππ ) + ( S ππ ) AK AK 3 ( ± ) 10 = ± Val Fitch 15

16 Escher i łamanie CP P C CP C P M. Witek - Antymateria 16

17 Cechy i konsekwencje łamania CP Łamanie symetrii CP w Modelu Standardowym (MS) Obecne obserwacje wskazują że symetria CP jest zachowana w oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych. Symetria CP jest nieznacznie łamana w oddziaływaniach słabych (na poziomie 2/1000). Opis łamania CP jest możliwy w ramach MS dla 3 generacji kwarków w wyniku zjawiska mieszania kwarków Jeżeli CPT jest zachowane a CP jest łamane to T też musi być łamane! Możemy odróżnić przeszłość i przyszłość (niezależnie od kierunku czasu wyznaczonego II zasadą termodynamiki). Łamanie CP bada się obecnie w układach neutralnych mezonów pięknych B i B s. 0 B 0 B + Kπ + Kπ BABAR Jesteśmy gotowi do zadania pytania kosmitom. Czy ładunek elektronów w waszych atomach jest taki sam jak pionów z rozpadu tych neutralnych mezonów B, które rozpadają się ę na naładowany kaon i naładowany pion z większym stosunkiem niż jego anty partner B. 17

18 Jaką odpowiedź otrzymamy? ote: ring is not necessarily due to dark matter! N Hubble space telescope picture of Cluster ZwCl Image: NASA, ESA, M.J. JEE AND H. FORD (Johns Hopkins University) 18

19 Matter-Antimatter Asymmetry q q 1 Current Early universe i? 19

20 Universe 20

21 Bariogeneza - warunki Sakharova Δn Wszechświat jest prawie pusty. baryon n ~ O( 10 ) baryon baryon 10 n γ = n γ n Warunki Sakharova (1967) konieczne do bariogenezy 1. Niezachowanie liczby barionowej 2. Łamanie C i CP 3. Nierównowaga termodynamiczna Cała materia naszego wszechświata to wynik drobnej niedoskonałości symetrii CP 21

22 The Future of B Physics and CP Violation at the LHC ATLAS CMS ALTAS and CMS concentrate on high-p T discovery physics. Their B-physics potential relies on the low-p T performance of the Trigger systems. LHCb is not a fixed-target experiment (looks like one). It concentrates on low-p T B physics. Virtues over ATLAS & CMS: Low-p p T track trigger, particle ID & better mass resolution LHCb 22

23 Podsumowanie Łamanie CP jest konieczne do wytłumaczenia braku antymaterii P, C, T są zachowane: grawitacja, elektromagnetyzm, oddz. silne P, C są łamane maksymalnie w oddziaływaniach ł i słabych ł ale CP jest prawie zachowana CP, T są symetriami złamanymi ~ 2*10-3 Obecnie jedynym znanym źródłem łamania CP są oddziaływania słabe 23