Semakin kecil kita belajar, semakin banyak pengetahuan mendasar tentang alam yang diungkapkan kepada kita. Jika kita dapat memahami dan mendeskripsikan objek terkecil yang ada, kita dapat membangun atas dasar ini pemahaman tentang objek besar. Namun, kami tidak tahu apakah ada batasan untuk meminimalkan ruang.
Ada aturan di alam semesta kita yang tidak pernah kita amati dilanggar. Kami berharap beberapa di antaranya tidak pernah dilanggar. Tidak ada yang bisa bergerak lebih cepat dari cahaya. Ketika dua kuanta berinteraksi, energi selalu kekal. Anda tidak dapat menciptakan atau menghancurkan momentum dan momentum sudut. Dll Tetapi beberapa aturan ini, meskipun kami tidak melihatnya, pasti telah dilanggar di masa lalu.
Salah satunya adalah simetri materi dan antimateri. Setiap interaksi di mana partikel materi dilahirkan atau dihancurkan, menghancurkan atau menghasilkan jumlah yang sama dari rekan-rekan mereka dari dunia antimateri - antipartikel. Mempertimbangkan bahwa alam semesta kita hampir seluruhnya terbuat dari materi, dan hampir tidak mengandung antimateri (tidak ada bintang, galaksi, atau struktur kosmik stabil yang terbuat dari antimateri), kesimetrian ini jelas telah rusak di masa lalu. Namun, bagaimana tepatnya ini terjadi tetap menjadi misteri. Misteri asimetri materi / antimateri tetap menjadi salah satu pertanyaan terbuka terbesar dalam fisika.
Selain itu, kita biasanya mengatakan "partikel", yang berarti bagian penyusun materi, dan "antipartikel", yang menyiratkan bagian penyusun antimateri, tetapi ini tidak sepenuhnya benar. Partikel tidak selalu penting, dan antipartikel tidak selalu antimateri. Inilah yang dikatakan sains tentang situasi yang berlawanan dengan intuisi ini.
Dari skala makroskopis hingga subatom, ukuran partikel fundamental memainkan peran kecil dalam menentukan ukuran struktur komposit. Belum diketahui apakah bahan penyusun ini benar-benar partikel fundamental dan titik, tetapi kami memahami bagaimana alam semesta bekerja dari skala kosmik besar ke skala subatomik kecil. Tubuh manusia mengandung sekitar 10 28 atom.
Bayangkan materi yang dapat ditemukan di Bumi, Anda mungkin akan berasumsi bahwa 100% di antaranya terdiri dari materi. Begitulah kira-kira - hampir semua planet kita terbuat dari materi. Ia juga terdiri dari proton, neutron, dan elektron - dan semuanya adalah partikel materi. Proton dan neutron adalah partikel senyawa yang terdiri dari kuark atas dan bawah yang terikat bersama dengan gluon dan membentuk inti atom. Elektron terikat pada inti ini - sehingga muatan listrik total atom adalah nol, dan elektron dihubungkan ke inti melalui interaksi elektromagnetik yang ditransmisikan melalui pertukaran foton.
Namun, secara berkala salah satu partikel dalam inti atom mengalami peluruhan radioaktif. Contoh tipikal adalah peluruhan beta... Salah satu neutron berubah menjadi proton, memancarkan elektron dan antineutrino elektron. Dengan mempelajari sifat dari berbagai partikel dan antipartikel yang terlibat dalam peluruhan ini, Anda dapat mempelajari banyak hal tentang alam semesta.
Representasi skematis peluruhan beta nuklir dalam inti atom masif. Peluruhan beta bekerja melalui interaksi lemah, mengubah neutron menjadi proton, elektron, dan antineutrino elektron. Sebelum penemuan neutrino, tampaknya energi dan momentum tidak dilestarikan dalam peluruhan beta.
Neutron yang kita mulai memiliki sifat-sifat berikut:
- Ini netral secara elektrik, muatan totalnya nol.
- Ini terdiri dari tiga quark - dua lebih rendah (dengan muatan listrik -1/3) dan satu atas (dengan muatan listrik 2/3).
- Ini berisi sekitar energi 939 MeV dalam bentuk massa istirahat.
Partikel-partikel yang meluruhnya - proton, elektron, dan elektron antineutrino - juga memiliki sifat uniknya sendiri.
- Muatan listrik proton adalah +1, terdiri dari satu kuark bawah dan dua kuark atas, dan mengandung sekitar 938 MeV energi dalam massa istirahatnya.
- Muatan listrik sebuah elektron adalah -1, ia adalah partikel yang pada dasarnya tidak terlihat, dan menyimpan sekitar 0,5 MeV energi dalam massa istirahatnya.
- Antineutrino elektron tidak memiliki muatan listrik, ia adalah partikel yang pada dasarnya tidak terlihat, massa istirahatnya tidak diketahui (tetapi lebih besar dari nol), dan tidak lebih dari 0,0000001 MeV energi yang disimpan di dalamnya.
Semua hukum konservasi yang mengikat masih ada. Energinya kekal, dan sedikit pasokan energi neutron "ekstra" diubah menjadi energi kinetik dari partikel yang dihasilkan. Momentumnya kekal, dan jumlah momenta partikel yang dihasilkan selalu sama dengan momen awal neutron. Namun, kami ingin tidak hanya mempelajari di mana kami memulai dan di mana kami berakhir - kami ingin tahu bagaimana itu terjadi.
Neutron bebas tidak stabil. Mereka memiliki waktu paruh 10,3 menit, dan mereka membusuk menjadi proton, elektron, dan elektron antineutrino. Jika Anda mengubah neutron menjadi antineutron, semua partikel akan berubah menjadi antipartikel yang sesuai. Materi akan digantikan oleh antimateri, dan antimateri oleh materi.
Menurut teori kuantum, peluruhan membutuhkan partikel yang mengontrolnya. Dalam teori kuantum interaksi lemah, yang menjelaskan proses ini, hal ini dilakukan oleh W - boson , yang berperan sebagai salah satu kuark bawah neutron. Mari kita lihat apa yang terjadi pada partikel fundamental.
Salah satu quark bawah dalam neutron memancarkan W - boson virtual , yang berubah menjadi kuark atas. Dalam interaksi ini, jumlah quark dipertahankan.
Virtual W -boson dapat membusuk menjadi banyak partikel berbeda, tetapi proses ini dibatasi oleh hukum kekekalan energi. Produk peluruhan terakhirnya seharusnya tidak memiliki lebih banyak energi daripada perbedaan massa diam antara neutron dan proton.
Oleh karena itu, untuk sebagian besar, elektron lahir dalam peluruhan (membawa muatan negatif) dan elektron antineutrino. Dalam kasus yang jarang terjadi, Anda dapat melihat peluruhan radiasi, yang menghasilkan foton tambahan. Pada prinsipnya, dimungkinkan untuk membuat W - boson meluruh menjadi kombinasi quark dan antiquark (misalnya, dari bawah dan anti-atas), tetapi ini membutuhkan terlalu banyak energi - lebih banyak daripada yang diperoleh dengan peluruhan neutron menjadi sebuah proton.
Dalam kondisi normal energi rendah, neutron bebas meluruh menjadi proton melalui interaksi lemah - dalam hal ini, waktu meningkat dalam diagram. Pada energi yang cukup tinggi, reaksi ini bisa berlawanan arah. Proton dan positron atau neutrino dapat berinteraksi untuk menghasilkan neutron - yaitu, ketika proton berinteraksi dengan proton, deuteron dapat muncul. Beginilah langkah sintesis kritis pertama di Matahari.
Sekarang mari kita balikkan semua yang dicerminkan, dari materi ke antimateri. Alih-alih peluruhan neutron, mari kita bayangkan peluruhan antineutron. Sifat-sifat antineutron sangat mirip dengan sifat-sifat neutron yang disebutkan sebelumnya, tetapi ada juga perbedaan penting:
- Ini netral secara elektrik, muatan totalnya nol.
- – ( +1/3) ( -2/3).
- 939 .
Beralih dari materi ke antimateri, kami hanya mengganti semua partikel dengan antimateri. Massa tetap sama, komposisinya (dengan mempertimbangkan awalan "anti") tetap sama, dan muatan listrik berubah menjadi sebaliknya. Dan meskipun neutron dan antineutron secara elektrik netral, muatan komponennya telah berubah.
Dan ini, omong-omong, bisa diukur! Meskipun muatannya netral, elektron memiliki apa yang disebut. momen magnet , yang membutuhkan putaran dan muatan listrik. Kami dapat mengukur momen magnetnya - itu sama dengan -1,91 magneton Bohr . Momen magnet antineutron adalah +1.91 Bohr magnetons. Semua pengisian muatannya harus kebalikan dari materi dan antimateri.
Berkat eksperimen dan studi teoretis baru, kami mulai lebih memahami struktur internal nukleon, proton, dan neutron, termasuk bagaimana "lautan" quark dan gluon didistribusikan. Studi memungkinkan kami untuk menjelaskan sebagian besar massa baryon, serta momen magnet nontrivial mereka.
Saat membusuk, quark anti-lower memancarkan boson W + , kembaran W - boson antimateri, yang mengubah quark anti-lower menjadi anti-upper quark. Boson W +seperti sebelumnya, virtual - tidak dapat diamati, dan tidak ada cukup massa / energi untuk membuat boson "nyata". Namun, produk peluruhannya terlihat - positron dan elektron neutrino. (Ya, efek radiasi juga dapat muncul - dalam kasus yang jarang terjadi, satu atau lebih foton ditambahkan ke produk peluruhan). Semuanya ternyata adalah bayangan cermin dari versi sebelumnya, setiap partikel materi berubah menjadi antimateri ganda, dan partikel antimateri (seperti antineutrino elektron) - sebaliknya.
Adapun materi yang dapat ditemukan di Bumi, hampir semuanya terbuat dari materi - proton, neutron, dan elektron. Sebagian kecil dari neutron ini meluruh, yang berarti kita juga memiliki W -boson, proton ekstra dan elektron (dan foton), dan beberapa antineutrino elektron. Segala sesuatu yang kita tahu dijelaskan dengan baik oleh Model Standar, dan ada cukup banyak partikel dan antipartikel untuk menggambarkan semuanya. [dapat diklik] Model Standar membantu kami menentukan partikel mana yang ada dalam kenyataan dan antipartikel mana untuk masing-masing partikel. Dan meskipun Semesta sebagian besar terdiri dari materi, dan hanya memiliki jejak inklusi antimateri, tidak setiap partikelnya hanya dapat dikaitkan dengan materi atau antimateri.
Kita bisa mengganti Bumi dengan "anti-Bumi," versi anti-material dari diri kita sendiri. Kemudian kami hanya akan mengganti setiap partikel dengan antipartikel yang sesuai. Alih-alih proton dan neutron (terdiri dari quark dan gluon), kita akan memiliki antiproton dan antineutron (terdiri dari antiquark, tetapi dengan 8 gluon yang sama). Alih-alih peluruhan neutron melalui W - boson, akan ada peluruhan antineutron melalui W + boson. Alih-alih mendapatkan elektron dan elektron antineutrino (dan terkadang foton), kita akan mendapatkan positron dan elektron neutrino (dan kadang foton).
Materi normal di alam semesta terdiri dari quark dan lepton. Quark menyusun proton dan neutron (dan baryon pada umumnya), dan lepton termasuk elektron dan kerabatnya yang lebih berat, serta tiga neutrino biasa. Di sisi sebaliknya, ada antipartikel yang membentuk antimateri - antiquark dan antilepton. Meskipun peluruhan biasa mengikuti jalur berbeda yang melibatkan boson W - dan W + , ada sejumlah kecil antimateri dalam bentuk positron dan antineutrino elektron. Ini akan menjadi kasus bahkan jika kita entah bagaimana bisa "menyingkirkan" seluruh alam semesta eksternal, termasuk Matahari, sinar kosmik, dan sumber partikel serta energi lainnya.
Partikel dan antipartikel dari Model Standar, keberadaannya diprediksi oleh hukum fisika. Quark dan lepton adalah fermion dan materi. Antiquark dan antilepton adalah antifermion dan antimateri. Namun, boson bukanlah materi atau antimateri.
Tapi bagaimana dengan sisa partikel dan antipartikel? Ketika berbicara tentang materi dan antimateri, kita hanya berbicara tentang fermion - quark dan lepton. Namun, ada juga boson:
- 1 foton, perantara dalam radiasi elektromagnetik.
- 8 gluon, mediator dalam gaya nuklir kuat.
- 3 boson lemah, W + , W - dan Z 0 , mediator dalam interaksi lemah dan peluruhan lemah, serta boson Higgs, yang berbeda dari yang lain.
Beberapa partikel adalah antipartikel bagi dirinya sendiri - foton, Z 0, dan Higgs boson. W + adalah antipartikel untuk W - , dan tiga pasang gluon jelas merupakan antipartikel satu sama lain (dengan pasangan keempat, semuanya menjadi sedikit lebih rumit).
Jika Anda bertabrakan dengan sebuah partikel dengan antipartikelnya, mereka memusnahkan, dan dapat mengeluarkan semua yang cukup energi, dengan mempertimbangkan semua hukum kekekalan kuantum - energi, momentum, momentum sudut, muatan listrik, bilangan baryon, bilangan lepton, bilangan keluarga lepton , dll. Hal yang sama berlaku untuk partikel yang merupakan antipartikel terhadap dirinya sendiri.
Kumpulan materi dan antimateri boson yang ekuosimetris (X dan Y, dan anti-X dengan anti-Y) dengan sifat GUT yang benar dapat menimbulkan asimetri materi dan antimateri yang kita lihat di alam semesta saat ini.
Perlu dicatat di sini bagaimana ide pertentangan antara "materi" dan "antimateri" muncul. Jika Anda memiliki bilangan baryon atau lepton positif, Anda penting. Jika negatif, Anda antimateri. Dan jika Anda tidak memiliki bilangan baryon atau lepton - Anda bukan materi atau antimateri! Meskipun ada dua jenis partikel - fermion (quark dan lepton) dan boson (segala sesuatu yang lain) - di alam semesta kita, hanya fermion yang dapat berupa materi atau antimateri.
Jika neutrino ternyata fermion Majorana, teorinya harus direvisi - lagipula, Majorana fermion bisa menjadi antipartikel untuk dirinya sendiri.
Ini berarti bahwa partikel senyawa, seperti pion atau meson lainnya, yang terdiri dari kombinasi quark dan antiquark, tidak termasuk dalam materi atau antimateri - keduanya terdiri dari keduanya. Positronium - elektron dan positron yang terikat bersama, juga tidak berlaku untuk materi atau antimateri. Jika ada leptoquark atau boson X atau Y superheavy dari teori unifikasi besar, maka mereka akan menjadi contoh partikel dengan bilangan baryon dan lepton - bagi mereka akan ada opsi dari materi dan antimateri. Jika teori supersimetri benar, kita akan memiliki rekan fermionik foton - fotino - yang bukan materi maupun antimateri. Kita bahkan dapat memiliki boson supersimetrik - squark - dan kemudian versi partikel dan antipartikelnya akan dibagi menjadi materi dan antimateri. Partikel Model Standar dan rekan supersimetrisnya. Sedikit kurang dari setengahnya ditemukan, dan belum ada yang melihat bukti keberadaan sisanya. Supersimetri seharusnya menyempurnakan Model Standar, tetapi belum membuat prediksi yang berhasil.
Sangat sederhana untuk mempertimbangkan bahwa di alam semesta terdapat materi, yang terdiri dari partikel, dan antimateri, yang terdiri dari antipartikel rekannya. Ini sebagian benar - sebagian besar partikel di alam semesta terdiri dari apa yang kita anggap sebagai materi. Jika kita mengganti semuanya dengan antimateri, kita mendapatkan apa yang kita anggap sebagai antimateri. Ini adalah kasus untuk semua quark (dengan bilangan baryon +1/3), lepton (dengan bilangan lepton +1), antiquark (dengan bilangan baryon -1/3), dan antilepton (dengan bilangan lepton -1) .
Tetapi yang lainnya - semua boson yang tidak memiliki bilangan baryon dan lepton, semua partikel komposit, jumlah bilangan baryon dan lepton yang sama dengan nol, berada di wilayah perantara, bukan milik materi atau antimateri. Dalam hal ini, salah satu jenisnya tidak dapat dikaitkan dengan partikel, dan yang lainnya ke antipartikel. Ya, W +dan W - dapat memusnahkan, seperti partikel / antipartikel, tetapi mereka tidak dapat dibagi menjadi materi dan antimateri, seperti boson lainnya. Mereka, bisa dikatakan, tidak dapat mengklaim status seperti itu. Tidak ada gunanya menanyakan mana yang materi dan mana yang antimateri. Satu sama lain, mereka adalah partikel dan antipartikel, tetapi tidak satupun dari mereka memiliki sifat yang khas dari materi atau antimateri.