Plus nous étudions, plus les connaissances fondamentales sur la nature nous sont révélées. Si nous pouvions comprendre et décrire les plus petits objets existants, nous pourrions construire sur cette base une compréhension des plus grands. Cependant, nous ne savons pas s'il existe une limite à la minimisation de l'espace.
Il y a des règles dans notre Univers que nous n'avons jamais observé de rupture. Nous nous attendons à ce que certains d’entre eux n’aient jamais été violés. Rien ne peut voyager plus vite que la lumière. Lorsque deux quanta interagissent, l'énergie est toujours conservée. Vous ne pouvez pas créer ou détruire l'élan et l'élan angulaire. Etc. Mais certaines de ces règles, bien que nous ne les ayons pas vues, ont dû être enfreintes à un moment donné dans le passé.
L'un d'eux est la symétrie de la matière et de l'antimatière. Chaque interaction dans laquelle des particules de matière naissent ou se détruisent, détruit ou génère un nombre égal de leurs homologues du monde de l'antimatière - les antiparticules. Considérant que notre univers est presque entièrement constitué de matière et ne contient presque pas d'antimatière (il n'y a pas d'étoiles, de galaxies ou de structures cosmiques stables en antimatière), cette symétrie a évidemment été brisée dans le passé. Cependant, comment exactement cela s'est passé reste un mystère. Le mystère de l' asymétrie matière / antimatière reste l'une des plus grandes questions ouvertes en physique.
De plus, nous disons généralement «particules», signifiant les parties constitutives de la matière, et «antiparticule», impliquant les parties constituantes de l'antimatière, mais ce n'est pas tout à fait vrai. Les particules ne sont pas toujours de la matière et les antiparticules ne sont pas toujours de l'antimatière. C'est ce que la science a à dire sur cette situation contre-intuitive.
Des échelles macroscopiques aux échelles subatomiques, la taille des particules fondamentales joue un petit rôle dans la détermination de la taille des structures composites. On ne sait pas encore si ces blocs de construction sont vraiment des particules fondamentales et ponctuelles, mais nous comprenons comment l'univers fonctionne de grandes échelles cosmiques à de petites échelles subatomiques. Le corps humain contient environ 10 28 atomes.
En imaginant les matériaux que l'on peut trouver sur Terre, vous supposerez probablement que 100% d'entre eux sont constitués de matière. C'est à peu près ainsi - presque toute notre planète est faite de matière. Il se compose également de protons, de neutrons et d'électrons - et ce sont tous des particules de matière. Les protons et les neutrons sont des particules composées constituées de quarks haut et bas qui se lient avec des gluons et forment les noyaux des atomes. Les électrons sont attachés à ces noyaux - de sorte que la charge électrique totale de l'atome est nulle et que les électrons sont connectés aux noyaux par une interaction électromagnétique transmise par l'échange de photons.
Cependant, périodiquement, l'une des particules du noyau atomique subit une désintégration radioactive. Un exemple typique est la désintégration bêta... L'un des neutrons se transforme en proton, émettant un électron et un antineutrino électronique. En étudiant les propriétés des différentes particules et antiparticules impliquées dans cette désintégration, vous pouvez en apprendre beaucoup sur l'univers.
Représentation schématique de la désintégration bêta nucléaire dans un noyau atomique massif. La désintégration bêta fonctionne grâce à des interactions faibles, convertissant un neutron en un proton, un électron et un antineutrino électronique. Avant la découverte des neutrinos, il semblait que l'énergie et l'élan n'étaient pas conservés dans les désintégrations bêta.
Le neutron avec lequel nous avons commencé a les propriétés suivantes:
- Il est électriquement neutre, sa charge totale est nulle.
- Il se compose de trois quarks - deux inférieurs (avec des charges électriques de -1/3) et un supérieur (avec une charge électrique de 2/3).
- Il contient environ 939 MeV d'énergie sous la forme d'une masse de repos.
Les particules dans lesquelles il se désintègre - un proton, un électron et un antineutrino électronique - ont également leurs propres propriétés uniques.
- La charge électrique d'un proton est +1, il se compose d'un quarks vers le bas et de deux vers le haut, et il contient environ 938 MeV d'énergie dans sa masse de repos.
- La charge électrique d'un électron est -1, c'est une particule fondamentalement invisible et elle stocke environ 0,5 MeV d'énergie dans sa masse de repos.
- Un antineutrino électronique n'a pas de charge électrique, c'est une particule fondamentalement invisible, sa masse au repos est inconnue (mais supérieure à zéro) et pas plus de 0,0000001 MeV d'énergie y est stockée.
Toutes les lois de conservation contraignantes sont toujours là. L'énergie est conservée et une petite quantité d'énergie neutronique «supplémentaire» est convertie en énergie cinétique des particules résultantes. L'impulsion est conservée et la somme des impulsions des particules résultantes est toujours égale au moment initial du neutron. Cependant, nous ne voulons pas seulement étudier où nous avons commencé et où nous avons abouti, nous voulons savoir comment cela s'est passé.
Les neutrons libres sont instables. Ils ont une demi-vie de 10,3 minutes et se désintègrent en protons, électrons et antineutrinos électroniques. Si vous changez un neutron en antineutron, toutes les particules se transformeront en antiparticules correspondantes. La matière sera remplacée par l'antimatière et l'antimatière par la matière.
Selon la théorie quantique, la désintégration nécessite une particule qui la contrôle. Dans la théorie quantique des interactions faibles, qui décrit ce processus, ceci est réalisé par le W - boson , qui joue le rôle de l' un des quarks inférieurs du neutron. Voyons ce qui arrive aux particules fondamentales. L'
un des quarks vers le bas dans un neutron émet un W virtuel - boson, qui se transforme en un quark up. Dans cette interaction, le nombre de quarks est conservé.
Virtual W -un boson peut se désintégrer en de nombreuses particules différentes, mais ce processus est limité par la loi de conservation de l'énergie. Ses produits de désintégration finaux ne devraient pas avoir plus d'énergie que la différence de masse au repos entre un neutron et un proton.
Par conséquent, pour la plupart, un électron est né en décomposition (pour emporter une charge négative) et un électron antineutrino. Dans de rares cas, vous pouvez voir une désintégration radiative, qui se traduit par un photon supplémentaire. En principe, il est possible de transformer le boson W - en une combinaison de quarks et d'antiquarks (par exemple, du bas et de l'anti-haut), mais cela nécessite trop d'énergie - plus que ce qui est obtenu par la désintégration d'un neutron pour un proton.
Dans des conditions normales de basses énergies, un neutron libre se désintègre en proton par une interaction faible - dans ce cas, le temps augmente vers le haut dans le diagramme. A des énergies suffisamment élevées, cette réaction peut aller dans le sens inverse. Un proton et un positron ou neutrino peuvent interagir pour produire un neutron - c'est-à-dire que lorsqu'un proton interagit avec un proton, un deutéron peut apparaître. C'est ainsi que fonctionne la première étape critique de synthèse dans le Soleil.
Maintenant, retournons tout en miroir, passant de la matière à l'antimatière. Au lieu de la désintégration d'un neutron, imaginons la désintégration d'un antineutron. Les propriétés de l'antineutron sont très similaires aux propriétés du neutron mentionnées précédemment, mais il existe également des différences importantes:
- Il est électriquement neutre, sa charge totale est nulle.
- – ( +1/3) ( -2/3).
- 939 .
En passant de la matière à l'antimatière, nous avons simplement remplacé toutes les particules par leurs équivalents d'antimatière. Les masses sont restées les mêmes, la composition (en tenant compte du préfixe "anti") est restée la même, et la charge électrique a changé à l'opposé. Et bien que le neutron et l'antineutron soient électriquement neutres, la charge de leurs composants a changé.
Et cela, d'ailleurs, peut être mesuré! Bien que la charge soit neutre, l'électron a un soi-disant. moment magnétique , pour lequel le spin et la charge électrique sont nécessaires. Nous avons pu mesurer son moment magnétique - il est égal à -1,91 magnétons de Bohr . Le moment magnétique de l'antineutron est de +1,91 magnétons de Bohr. Tout son remplissage chargé doit être l'opposé de la matière et de l'antimatière.
Grâce à des expériences et à de nouvelles études théoriques, nous avons commencé à mieux comprendre la structure interne des nucléons, des protons et des neutrons, y compris comment la «mer» des quarks et des gluons est distribuée. Les études nous permettent d'expliquer l'essentiel de la masse des baryons, ainsi que leurs moments magnétiques non triviaux.
Lors de la désintégration, un quark anti-inférieur émet un boson W + , un jumeau de W - un boson d'antimatière, qui transforme le quark anti-inférieur en un anti-supérieur. Boson W +comme auparavant, virtuel - il ne peut pas être observé, et il n'y a pas assez de masse / énergie pour créer un «vrai» boson. Cependant, ses produits de désintégration sont visibles - un positron et un neutrino électronique. (Oui, des effets de rayonnement peuvent également apparaître - dans de rares cas, un ou plusieurs photons sont ajoutés aux produits de désintégration). Tout se révèle être une image miroir de la version précédente, chaque particule de matière se transforme en un double d'antimatière et en particules d'antimatière (comme les antineutrinos électroniques) - vice versa.
Quant aux matériaux que l'on peut trouver sur Terre, ils sont presque tous composés de matière - protons, neutrons et électrons. Une petite partie de ces neutrons se désintègre, ce qui signifie que nous avons également W -bosons, protons et électrons supplémentaires (et photons) et certains antineutrinos électroniques. Tout ce que nous savons est bien décrit par le modèle standard, et il y a suffisamment de particules et d'antiparticules pour tout décrire. [cliquable] Le modèle standard nous aide à déterminer quelles particules existent dans la réalité et quelles antiparticules pour chacune d'elles. Et bien que l'Univers se compose principalement de matière et ne contienne que des traces d'inclusions d'antimatière, toutes ses particules ne peuvent être attribuées qu'à la matière ou à l'antimatière.
Nous pourrions remplacer la Terre par «anti-Terre», une version anti-matérielle de nous-mêmes. Ensuite, nous remplacerions simplement chaque particule par son antiparticule correspondante. Au lieu de protons et de neutrons (constitués de quarks et de gluons), nous aurions des antiprotons et des antineutrons (constitués d'antiquarks, mais avec les mêmes 8 gluons). Au lieu de la désintégration des neutrons via le boson W - , il y aurait désintégration de l 'antineutron via le boson W + . Au lieu d'obtenir un électron et un électron antineutrino (et parfois un photon), nous obtiendrions un positron et un électron neutrino (et parfois un photon).
La matière normale dans l'Univers est constituée de quarks et de leptons. Les quarks constituent les protons et les neutrons (et les baryons en général), et les leptons comprennent les électrons et leurs parents plus lourds, ainsi que trois neutrinos ordinaires. Au verso, il y a des antiparticules qui composent l'antimatière - les antiquarks et les antileptons. Bien que les désintégrations ordinaires suivent des chemins différents impliquant les bosons W - et W + , il existe une petite quantité d'antimatière sous forme de positrons et d'antineutrinos électroniques. Ce serait le cas même si nous pouvions en quelque sorte «nous débarrasser» de tout l'univers extérieur, y compris le Soleil, les rayons cosmiques et d'autres sources de particules et d'énergie.
Particules et antiparticules du modèle standard, dont l'existence est prédite par les lois de la physique. Les quarks et les leptons sont des fermions et de la matière. Les antiquaires et les antileptons sont des antifermions et de l'antimatière. Cependant, les bosons ne sont ni matière ni antimatière.
Mais qu'en est-il du reste des particules et des antiparticules? Quand on parle de matière et d'antimatière, on ne parle que de fermions - quarks et leptons. Cependant, il existe également des bosons:
- 1 photon, intermédiaire du rayonnement électromagnétique.
- 8 gluons, médiateurs de la force nucléaire forte.
- 3 bosons faibles, W + , W - et Z 0 , médiateurs des interactions faibles et des désintégrations faibles, ainsi que le boson de Higgs, qui est différent de tous les autres.
Certaines des particules sont des antiparticules à elles-mêmes - le photon, le Z 0 et le boson de Higgs. W + est une antiparticule pour W - , et trois paires de gluons sont clairement des antiparticules l'une pour l'autre (avec la quatrième paire, tout est un peu plus compliqué).
Si vous heurtez une particule avec son antiparticule, elles s'annihilent et peuvent donner tout ce qui est assez d'énergie, en tenant compte de toutes les lois de conservation quantique - énergie, quantité de mouvement, moment angulaire, charge électrique, nombre de baryons, nombre de leptons, nombre de familles de leptons , etc. etc. Il en va de même pour les particules qui sont des antiparticules à elles-mêmes.
Une collection équosymétrique de bosons de matière et d'antimatière (X et Y, et anti-X avec anti-Y) avec les bonnes propriétés GUT pourrait donner lieu à l'asymétrie de la matière et de l'antimatière que nous voyons aujourd'hui dans l'Univers.
Il est à noter ici comment apparaît l'idée d'opposition de «matière» et «d'antimatière». Si vous avez un nombre de baryons ou de leptons positif, vous êtes important. Si négatif, vous êtes de l'antimatière. Et si vous n'avez pas de nombre de baryon ou de lepton, vous n'êtes ni matière ni antimatière! Bien qu'il existe deux types de particules - les fermions (quarks et leptons) et les bosons (tout le reste) - dans notre univers, seuls les fermions peuvent être matière ou antimatière.
Si les neutrinos s'avèrent être des fermions de Majorana, la théorie devra être révisée - après tout, les fermions de Majorana peuvent être des antiparticules pour eux-mêmes.
Cela signifie que les particules composées, telles que les pions ou autres mésons, constituées de combinaisons de quarks et d'antiquarks, n'appartiennent pas à la matière ou à l'antimatière - elles sont constituées des deux. Le positronium - un électron et un positron liés ensemble, ne s'applique pas non plus à la matière ou à l'antimatière. S'il y a des leptoquarks ou des bosons X ou Y super- lourds issus des théories de la grande unification, alors ils seront un exemple de particules avec à la fois des nombres de baryons et de leptons - pour eux, il y aura des options à la fois de la matière et de l'antimatière. Si la théorie de la supersymétrie était correcte, nous aurions des homologues fermioniques de photons - les photinos - qui ne sont ni matière ni antimatière. Nous pourrions même avoir des bosons supersymétriques - des squarks - et alors leurs versions de particules et d'antiparticules seraient divisées en matière et antimatière. Particules de modèle standard et leurs homologues supersymétriques. Un peu moins de la moitié d'entre eux ont été retrouvés, et personne n'a encore vu de preuves de l'existence des autres. La supersymétrie devrait améliorer le modèle standard, mais n'a pas encore fait de prédictions réussies.
Il serait très simple de considérer que dans l'Univers il y a de la matière, constituée de particules, et de l'antimatière, constituée de leurs homologues-antiparticules. C'est partiellement vrai - la plupart des particules de l'univers sont constituées de ce que nous considérons comme de la matière. Si nous les remplaçons tous par de l'antimatière, nous obtenons ce que nous considérons comme de l'antimatière. C'est le cas de tous les quarks (avec un numéro de baryon +1/3), les leptons (avec un nombre de lepton +1), les antiquarks (avec un numéro de baryon -1/3) et les antileptons (avec un nombre de lepton -1) .
Mais tout le reste - tous les bosons qui n'ont pas de nombres de baryons et de leptons, toutes les particules composites, dont les nombres totaux de baryons et de leptons sont égaux à zéro, sont dans la région intermédiaire, n'appartenant ni à la matière ni à l'antimatière. Dans ce cas, l'un de leurs types ne peut être attribué à une particule, et l'autre à une antiparticule. Oui, W +et W - peuvent s'annihiler, comme une particule / antiparticule, mais ils ne peuvent pas être divisés en matière et antimatière, comme tous les autres bosons. Ils ne peuvent, pour ainsi dire, revendiquer un tel statut. Il ne sert à rien de se demander laquelle d'entre elles est matière et laquelle est antimatière. L'un pour l'autre, ce sont des particules et des antiparticules, mais aucune d'elles n'a les propriétés caractéristiques de la matière ou de l'antimatière.