جنگ ذرات و ضد ذرات. جنگ ذرات و پادذرات تاریخچه کشف پادذرات

فرضیه ضد ذره اولین بار در سال 1928 مطرح شد، زمانی که پی دیراک، بر اساس معادله موج نسبیتی، وجود پوزیترون را پیش بینی کرد (نگاه کنید به § 263)، که چهار سال بعد توسط K. Anderson به عنوان بخشی از تابش کیهانی کشف شد.

الکترون و پوزیترون تنها جفت ذره و پادذره نیستند. بر اساس نظریه کوانتومی نسبیتی، آنها به این نتیجه رسیدند که برای هر ذره بنیادی باید یک پاد ذره وجود داشته باشد (اصل صرف بار). آزمایش‌ها نشان می‌دهند که به جز چند استثنا (مثلاً فوتون و مزون p 0)، در واقع، هر ذره با یک پاد ذره مطابقت دارد.

از مفاد کلی تئوری کوانتومی چنین برمی‌آید که ذرات و پادذرات باید دارای جرم‌های یکسان، طول عمر یکسان در خلاء، مدول یکسان، اما از نظر بارهای الکتریکی علامت (و گشتاورهای مغناطیسی)، اسپین‌ها و اسپین‌های ایزوتوپی یکسان و یکسان باشند. اعداد کوانتومی دیگر.، منسوب به ذرات بنیادی برای توصیف قوانین برهمکنش آنها (عدد لپتون (نگاه کنید به بند 275)، عدد باریون (نگاه کنید به بند 275)، غریب بودن (نگاه کنید به بند 274)، جذابیت (نگاه کنید به بند 275)، و غیره) . تا سال 1956 اعتقاد بر این بود که یک تقارن کامل بین ذرات و پادذرات وجود دارد، یعنی اگر فرآیندی بین ذرات اتفاق بیفتد، باید دقیقاً همان فرآیند (با ویژگی‌های یکسان) بین پادذرات وجود داشته باشد. با این حال، در سال 1956 ثابت شد که چنین تقارنی فقط برای برهمکنش های قوی و الکترومغناطیسی مشخص است و برای ضعیف نقض می شود.

بر اساس نظریه دیراک، برخورد یک ذره و یک پاد ذره باید منجر به نابودی متقابل آنها شود که در نتیجه آن ذرات بنیادی یا فوتون های دیگر بوجود می آیند. نمونه ای از این واکنش در نظر گرفته شده (263.3) از نابودی یک جفت الکترون-پوزیترون (-1 0) است. ه+ + 1 0 ه® 2 گرم).

پس از تایید تجربی وجود پوزیترون که از لحاظ نظری پیش بینی شده بود، این سوال در مورد وجود آنتی پروتون و پادنوترون مطرح شد. محاسبات نشان می دهد که برای ایجاد یک جفت ذره-پاد ذره، لازم است انرژی بیش از انرژی سکون دو برابر شده این جفت صرف شود، زیرا به ذرات باید انرژی جنبشی بسیار قابل توجهی منتقل شود. برای ایجاد یک جفت p-p̃، انرژی تقریباً 4.4 GeV مورد نیاز است. این پادپروتون در واقع به طور آزمایشی (1955) در طی پراکندگی پروتون‌ها (که در آن زمان بزرگترین سنکروفازوترون در دانشگاه کالیفرنیا شتاب می‌گرفت) توسط نوکلئون‌های هسته‌های هدف (مس به عنوان هدف) کشف شد، در نتیجه یک جفت p - p̃ ایجاد شد. بدنیا آمدن.

یک آنتی پروتون از نظر نشانه های بار الکتریکی و گشتاور مغناطیسی خود با پروتون متفاوت است. یک آنتی پروتون نه تنها با یک پروتون، بلکه با یک نوترون نیز می تواند نابود شود:

(273.1) (273.2) (273.3)

یک سال بعد (1956) همین شتاب دهنده موفق شد یک پادنوترون (ñ) به دست آورد و نابودی آن را انجام دهد. پادنوترون ها در نتیجه تبادل بار پادپروتون ها هنگام حرکت در ماده به وجود آمدند. واکنش تبادل بار р در مبادله بارها بین یک نوکلئون و یک آنتی نوکلئون است و می تواند طبق طرح ها انجام شود.

(273.4) (273.5)

پادنوترون ñ با نوترون در علامت گشتاور مغناطیسی خود متفاوت است. اگر پادپروتون ها ذرات پایداری باشند، آنگاه یک پادنوترون آزاد، اگر نابودی را تجربه نکند، در نهایت طبق این طرح دچار فروپاشی می شود.

ضد ذرات نیز برای مزون p +، کائون ها و هایپرون ها یافت شده است (نگاه کنید به § 274). با این حال، ذراتی وجود دارند که ضد ذرات ندارند - اینها به اصطلاح ذرات واقعا خنثی هستند. اینها عبارتند از فوتون، p°-مزون و η-مزون (جرم آن 1074m e، طول عمر 7×10-19 ثانیه است؛ با تشکیل p-مزون ها و γ-کوانتا تجزیه می شود). ذرات واقعاً خنثی قادر به نابودی نیستند، اما دگرگونی‌های متقابل را تجربه می‌کنند که ویژگی اساسی همه ذرات بنیادی است. می توان گفت که هر یک از ذرات خنثی واقعی با پاد ذره خود یکسان است.

اثبات وجود پادنوترینوها و پاسخ به این سوال که آیا نوترینوها و پادنوترینوها ذرات یکسان یا متفاوت هستند، بسیار جالب و مشکلات جدی بود. فیزیکدانان آمریکایی F. Reines و C. Cowan (1956) با استفاده از جریان های قدرتمند پادنوترینوهای به دست آمده در راکتورها (قطعات شکافت هسته های سنگین، واپاشی β را تجربه می کنند و، طبق (258.1)، پادنوترینو منتشر می کنند)، به طور قابل اعتمادی واکنش گرفتن یک الکترون را ثبت کردند. پادنوترینو توسط یک پروتون:

به طور مشابه، واکنش گرفتن یک نوترینوی الکترونی توسط یک نوترون ثابت است:

بنابراین، واکنش های (273.6) و (273.7) از یک سو، دلیل غیرقابل انکاری بودند که v هو ṽ ه، ذرات واقعی هستند و نه مفاهیم ساختگی که فقط برای توضیح واپاشی β معرفی شده اند و از طرف دیگر این نتیجه را تایید می کنند که v هو ṽ ه- ذرات مختلف

متعاقبا، آزمایشات روی تولید و جذب نوترینوهای میون نشان داد که v mو ṽ m ذرات مختلف هستند. همچنین ثابت شده است که جفت v ه, v mذرات مختلف هستند و جفت v ه، ṽ همثل یک زوج نیست v mبر اساس ایده B. M. Pontecorvo (نگاه کنید به § 271)، واکنش جذب نوترینو میون (به دست آمده از فروپاشی p + ®m + + v m (271.1)) توسط نوترون ها انجام شد و ذرات به دست آمده مشاهده شده. معلوم شد که واکنش (273.7) رخ نمی دهد و گرفتن مطابق طرح اتفاق می افتد.

یعنی به جای الکترون‌ها، m - - میون‌ها در واکنش متولد شدند. این تفاوت بین v هو vm

بر اساس مفاهیم مدرن، نوترینوها و پادنوترینوها در یکی از ویژگی های کوانتومی حالت یک ذره بنیادی - اسپنالیته، با یکدیگر متفاوت هستند، که به عنوان طرح ریزی اسپین ذره بر روی جهت حرکت آن (در هر تکانه) تعریف می شود. برای توضیح داده‌های تجربی، فرض می‌شود که اسپین نوترینو s خلاف موازی تکانه p است، یعنی جهت‌های p و s یک پیچ سمت چپ را تشکیل می‌دهند و نوترینو دارای مارپیچ چپ است (شکل 349، a. ). برای پادنوترینوها، جهت های p و s یک پیچ راست را تشکیل می دهند، به عنوان مثال، پادنوترینو دارای ستون فقرات راست است (شکل 349، ب).این ویژگی برای نوترینوهای الکترونی و میونی (ضد نوترینو) به یک اندازه معتبر است.

برای اینکه مارپیچ بودن به عنوان مشخصه نوترینوها (ضد نوترینوها) استفاده شود، جرم نوترینو باید صفر در نظر گرفته شود. معرفی مارپیچ امکان توضیح برای مثال، نقض قانون حفظ برابری (نگاه کنید به § 274) را در مورد برهمکنش‌های ضعیفی که باعث فروپاشی ذرات بنیادی و فروپاشی β می‌شود را ممکن کرد. بنابراین، m - -muon به مارپیچی سمت راست، m + -muon - سمت چپ اختصاص داده می شود.

پس از کشف چنین تعداد زیادی از پادذرات، کار جدیدی مطرح شد - یافتن پاد هسته، به عبارت دیگر، اثبات وجود پادماده، که از پادذرات ساخته شده است، درست مانند ماده از ذرات. در واقع ضد هسته ها کشف شده اند. اولین پادنوکلئوس، آنتی دوترون (یک حالت محدود p̃ و ñ) در سال 1965 توسط گروهی از فیزیکدانان آمریکایی به رهبری L. Lederman به دست آمد و سپس هسته های آنتی هلیوم (1970) و آنتی تریتیوم (1973) در شتاب دهنده سرپوخوف سنتز شدند. .

البته لازم به ذکر است که امکان نابودی در هنگام برخورد با ذرات اجازه نمی دهد پادذرات برای مدت طولانی در بین ذرات وجود داشته باشند. بنابراین، برای یک حالت پایدار پادماده، باید آن را از ماده جدا کرد. اگر انباشته ای از پادماده در نزدیکی قسمتی از کیهان وجود داشته باشد که برای ما شناخته شده است، آنگاه تشعشعات قدرتمند نابودی (انفجارهایی با آزاد شدن مقادیر عظیم انرژی) باید مشاهده می شد. با این حال، اخترفیزیکدانان تاکنون چیزی از این نوع را ثبت نکرده اند. تحقیقات انجام شده برای جستجوی پاد هسته ها (در نهایت ضد ماده) و اولین موفقیت های به دست آمده در این راستا برای شناخت بیشتر ساختار ماده از اهمیت اساسی برخوردار است.

ما به استفاده عادت کرده ایم ضدبرای نشان دادن موجودات متضاد مثلاً قهرمان و ضدقهرمان در یک فیلم ماجرایی در نبردی تلخ هستند. با این حال، در عالم صغیر، ذره و پاد ذره کاملاً مخالف یکدیگر نیستند. یک ذره و یک پادذره جرم، طول عمر، اسپین یکسان دارند، فقط بار متفاوت است. اما اینجا هم همه چیز به این سادگی نیست.

ضد ذرات چیست؟

به عنوان یک قاعده، از روی نیمکت مدرسه، اکثر مردم فقط یک بار الکتریکی را به عنوان یک بار درک می کنند. در واقع، اگر الکترون و پادذره آن - پوزیترون را در نظر بگیریم، آنها دقیقاً در بار الکتریکی متفاوت هستند: الکترون دارای بار الکتریکی منفی و پوزیترون دارای یک بار مثبت است. با این حال، علاوه بر الکترومغناطیسی، فعل و انفعالات گرانشی، قوی و ضعیف نیز وجود دارد که هر کدام بارهای خاص خود را دارند. فرض کنید که یک پروتون با بار الکتریکی مثبت و یک پادپروتون که بار الکتریکی منفی دارد، در یک برهمکنش قوی، بار باریونی (یا عدد باریونی) برابر با 1+ برای یک پروتون و -1 برای یک پادپروتون به دست می‌آورند. . بنابراین، اگر بار الکتریکی وجود نداشته باشد، مثلاً در مورد یک نوترون و یک پادنوترون، ذرات به شدت برهم کنش همچنان در عدد باریون متفاوت هستند که برابر با 1+ برای یک نوترون و -1 برای یک پاد نوترون است.

آیا شرایطی وجود دارد که باریون و بارهای الکتریکی هر دو برابر با صفر باشند؟ بله مثلا در مورد مزون ها. آنها از یک کوارک و یک آنتی کوارک تشکیل شده اند و طبق تعریف باریون آنها صفر است. به عنوان مثال، مزون K خنثی الکتریکی را در نظر بگیرید - ذرات شگفت انگیزی که در آنها نقض برابری فضایی و بار ترکیبی کشف شد. مزون K0 و مزون ضد K0 وجود دارد. بار الکتریکی و باریون هر دو ذره برابر با صفر است. پس چرا آنها را ذره و پاد ذره می دانند؟ در این مورد، ترکیب کوارک مزون ها متفاوت است. مزون K0 از یک کوارک anti-s و یک کوارک d تشکیل شده است. مزون ضد K0، برعکس، از یک کوارک s و یک ضد کوارک D تشکیل شده است. کوارک عجیب - s - دارای یک عدد یا بار کوانتومی جدید است - عجیب بودن. عجیب بودن برای کوارک های s و anti-s متفاوت است، همانطور که بار باریون برای پروتون ها و پادپروتون ها متفاوت است. d-کوارک ها و d-آنتی کوارک ها عدد کوانتومی خاص خود را دارند، مشابه عجیب بودن. این بارها تمایز بین مزون های الکتریکی و باریون خنثی K0 و ضد K0 را ممکن می سازد.

با این حال، اتفاق می افتد که ذرات و ضد ذرات یکسان هستند. مثلاً مزون φ که از یک ضد کوارک و یک s-کوارک تشکیل شده است و پادذره آن برعکس از یک کوارک و یک ضد کوارک تشکیل شده است. معلوم شد که φ-مزون پادذره خودش است. در واقع، ذرات زیادی مشابه مزون φ وجود دارد. معروف ترین آنها احتمالاً مزون J/ψ است که از یک کوارک جذاب و یک آنتی کوارک تشکیل شده است. فوتون ها نیز با خودشان یکسان هستند. و حامل های برهمکنش ضعیف - بوزون های Z0 - نیز. اما یک ذره بنیادی وجود دارد که هنوز پاسخ به این سؤال که آیا با خودش یکسان است یا خیر، روشن نشده است. این ذره یک نوترینو است. فقط در فعل و انفعالات ضعیف و گرانشی شرکت می کند. با این حال، برهمکنش گرانشی در مقیاس های انرژی موجود در حال حاضر هیچ نقشی ندارد. بنابراین می توان گفت که نوترینو فقط در برهمکنش های ضعیف شرکت می کند. دو رویکرد برای توصیف حالات نوترینو در نظریه میدان کوانتومی وجود دارد. اولین رویکرد به اصطلاح دیراک است که در آن نوترینوها و پادنوترینوها با یکدیگر غیر یکسان در نظر گرفته می شوند. به عبارت دیگر، از دیدگاه نظریه پردازان، نوترینوها و پادنوترینوها شبیه الکترون و پوزیترون هستند. دومین رویکرد مایورانا است که در آن نوترینوها و پادنوترینوها با یکدیگر یکسان در نظر گرفته می شوند. انتخاب به نفع مفهوم مایورانا را می توان با مشاهده تجربی واپاشی دوگانه بتا بدون نوترینول هسته ها به دست آورد. این پوسیدگی یکی از دشوارترین موارد برای مشاهده تجربی است. در حال حاضر، این فرآیند هنوز کشف نشده است.

تاریخچه کشف پادذرات

قبلاً در یونان باستان، متفکران باستانی ساختار اساسی ماده را مطرح کردند. بر اساس مد علمی آن سال ها، یونانیان به دنبال عناصر اولیه بودند. در نتیجه این جستجوها، یونانی ها چندین مجموعه کاملاً متفاوت از عناصر اولیه و حتی مفهوم اتم را به عنوان یک زائده اضافی داشتند. اما یونانی ها نمی توانستند بین مجموعه های مختلف انتخاب کنند، زیرا فقط استدلال های منطقی برای انتخاب کافی نبود و تقریبا 2000 سال قبل از ایده راه اندازی یک آزمایش تعیین کننده باقی مانده بود.

فقط در اواخر قرن هفدهم تا هجدهم، فیزیک به عنوان یک علم شکل گرفت که نیروی محرکه اصلی آن آزمایش است و تا ربع اول قرن بیستم باقی ماند. این نتایج تجربی غیرمنتظره بود که به ظهور الکترودینامیک کلاسیک، نظریه نسبیت خاص و مکانیک کوانتومی انگیزه داد.

با این حال، در سال 1928 همه چیز تغییر کرد. پل دیراک، فیزیکدان نظری برجسته انگلیسی، یکی از خالقان مکانیک کوانتومی، یک معادله کوانتومی نسبیتی برای ذرات با اسپین نیم صحیح نوشت. این معادله یک ویژگی مهم داشت که دیراک در آن قرار نداد: اگر این معادله راه حلی برای ذرات با بار الکتریکی منفی داشت، به ناچار یک راه حل اضافی برای ذرات با بار مثبت ظاهر می شد. در اوایل دهه 1930، تنها یک ذره با اسپین نیمه صحیح و بار منفی - آن الکترون - و یک ذره با اسپین نیمه صحیح و بار مثبت، و آن پروتون شناخته شد. در ابتدا، فیزیکدانان تصور می کردند که دو راه حل معادله دیراک با این دو ذره مطابقت دارد. اما خیلی زود ریاضیدان آلمانی هرمان ویل ثابت کرد که ذرات معادله دیراک با بارهای مثبت و منفی باید جرم یکسانی داشته باشند. و سپس مشکلی وجود داشت، زیرا پروتون حدود 2000 برابر سنگین‌تر از الکترون است.

یعنی نظریه دیراک یک واقعیت اساساً جدید را پیش بینی کرد. در اصطلاح مدرن، پل دیراک ضد ذرات را پیش بینی کرد. فقط در ابتدا هیچ کس به آنها اعتقاد نداشت و خود دیراک به دلیل یک معادله اشتباه مورد انتقاد قرار گرفت. و بیهوده بالاخره یک سال از کشف پاد ذرات می گذرد. فقط کاشف آنها، فیزیکدان تجربی با استعداد شوروی، دیمیتری ولادیمیرویچ اسکوبلتسین، هیچ ایده ای در مورد این موضوع نداشت. واقعیت این است که او شیفته مسئله ای بود که مربوط به آن زمان بود: مطالعه ترکیب پرتوهای کیهانی، یعنی ذراتی که از فضا روی زمین می افتند. برای اندازه گیری تکانه ذرات پرتوهای کیهانی و بار آنها، اسکوبلسین یک محفظه ابری - آخرین دستگاه برای دهه 1930 که ردیابی ذرات باردار را ثبت می کرد - در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار داد. در چنین محفظه ای، ذرات دارای بار مثبت که از فضای بیرونی می آیند باید در یک جهت و ذرات منفی در جهت دیگر بچرخند. اسکوبلتسین چندین مسیر مشابه با ردیاب های الکترونی را مشاهده کرد، اما در جهت مخالف می پیچند. از اوج دانش مدرن، ما می فهمیم که چنین ردهایی توسط پوزیترون ها به جا مانده است. اما دانشمند پیشنهاد کرد که این آهنگ‌ها توسط الکترون‌هایی باقی می‌مانند که از سطح زمین پرواز می‌کنند، جایی که در نتیجه رادیواکتیویته طبیعی شکل می‌گیرند، و دیگر علاقه‌ای به این مسیرها ندارند.

بنابراین، کارل اندرسون را اولین کاشف پوزیترون در جهان می دانند. این آزمایشگر باهوش آمریکایی از نظریه دیراک خبر داشت و می خواست وجود "الکترون هایی با بار متفاوت" را آزمایش کند. اندرسون از تکنیک Skobeltsyn با افزودنی کوچکی استفاده کرد که آزمایشگر آمریکایی را برنده جایزه نوبل کرد: او یک صفحه سربی را در یک اتاقک ابری قرار داد. هنگامی که یک ذره باردار به صفحه برخورد می کند، مقداری از انرژی خود را از دست می دهد، تکانه آن کاهش می یابد و انحنای مسیر در یک میدان مغناطیسی تغییر می کند. بنابراین با تغییر انحنای مسیر می توان فهمید که ذره از کدام سمت صفحه سربی وارد محفظه شده است. این اطلاعاتی بود که اسکوبلسین برای کشف پوزیترون نداشت. مشخص شد که ذراتی که مسیرهای آنها شبیه به ردپای الکترون ها است، اما در جهت مخالف پیچ خورده اند، مانند الکترون های معمولی از فضا پرواز می کنند. اندرسون آزمایش خود را در سال 1932 انجام داد. امسال سال کشف پادذرات و سالی است که نظریه در فیزیک ذرات شروع به پیشی گرفتن از آزمایش کرد. نوترینو، بوزون هیگز، کوارک بالا برای اولین بار توسط نظریه پردازان پیش بینی شد. گاهی آزمایش‌ها این نظریه را پس از نیم قرن تأیید می‌کردند، مثلاً در مورد بوزون هیگز.

می‌توان گفت که در سطح جدیدی به وضعیتی که در یونان باستان بود بازگشته‌ایم: نظریه‌پردازان بسیاری از مفاهیم بنیادی جدید را ارائه می‌کنند، درست همانطور که یونانیان زمانی مجموعه‌های مختلفی از عناصر اولیه را پیشنهاد کردند. فقط در حال حاضر آزمایشگران سعی می کنند این مفاهیم را آزمایش کنند، اگر چنین امکان تکنولوژیکی وجود داشته باشد.

در مورد آنتی پروتون چطور؟ این دومین ضد ذره ای است که توسط فیزیکدانان کشف شد. در سال 1955 در یک شتاب دهنده پروتون توسط گروهی از فیزیکدان با استعداد ایتالیایی امیلیو سگره که از دست نازی ها به آمریکا گریختند، کشف شد. این کشف در سال 1959 جایزه نوبل را دریافت کرد. تقریباً همزمان با آنتی پروتون، پادنوترون نیز کشف شد.

در حال حاضر صدها ضد ذره کشف شده است. هر ذره باردار، نه لزوما با یک چرخش نیم عدد صحیح، ضد ذره خود را دارد. جوایز نوبل برای کشف ضد ذرات اهدا می شود. و خاصیت یک ذره و یک پاد ذره که توسط اندرسون در طی برهم کنش برای تبدیل شدن به فوتون - برای از بین بردن - کشف شد، باعث پیدایش یکی از اسرار اساسی فیزیک مدرن - عدم تقارن باریونی جهان شد. معادله دیراک مدتهاست که توسط همه فیزیکدانان شناخته شده و اساس نظریه میدان کوانتومی را تشکیل داده است.

از پادذره تا ضد ماده

اگر در دهه 1960، فیزیکدانان می توانستند پوزیترون، پادپروتون و پادنوترون را بدست آورند، به نظر می رسید که از اینجا یک قدم تا سنتز پادماده، مانند آنتی هیدروژن وجود دارد. با این حال، مشکلات بزرگی در این راه وجود دارد.

برای ایجاد اتم ها و مولکول های پادماده، به دست آوردن بلوک های سازنده آنها - ضد ذرات کافی نیست. این ضد ذرات باید کند شوند. اما مهمتر از همه، ضد ماده باید در جهانی که از ماده تشکیل شده است ذخیره شود. ضد ذرات را نمی توان به سادگی در یک جعبه قرار داد: آنها با دیواره های جعبه از بین می روند. اگر می‌خواهیم پادذرات را حفظ کنیم، باید آن‌ها را در خلاء و در یک «ظرف بدون دیوار» نگهداری کنیم. برای ذرات باردار، می توان از یک میدان مغناطیسی ناهمگن قوی به عنوان چنین ظرفی استفاده کرد. کار محدود کردن ذرات خنثی بسیار دشوارتر است، اما به مرور زمان با استفاده از میدان مغناطیسی نیز حل شد. در حال حاضر، آنتی هیدروژن تقریباً 20 دقیقه در تله های پنینگ مغناطیسی نگه داشته می شود.

سنتز پادماده منطقی است که با سنتز پاد هسته شروع شود. با این حال، تا به امروز، پیشرفت کمی در این زمینه حاصل شده است. فقط آنتی هلیوم 3 که از دو آنتی پروتون و یک پاد نوترون تشکیل شده و آنتی هلیوم 4 که از دو پاد پروتون و دو پاد نوترون تشکیل شده است سنتز شده اند. (توجه داشته باشید که آنتی هلیوم-3 در موسسه فیزیک انرژی بالا در نزدیکی مسکو در شتاب دهنده U-70 سنتز شد که در حال حاضر پر انرژی ترین شتاب دهنده ذرات در روسیه است.)

حتی پیشرفت کمتری در سنتز آنتی اتم ها حاصل شده است. در حال حاضر، تنها اتم های آنتی هیدروژن سنتز شده اند. تنها اتم های آنتی هیدروژن در مرکز اروپایی فیزیک ذرات (CERN) در سال 1995 سنتز شدند. پیشرفت واقعی در سال 2002 رخ داد، زمانی که حدود 50 میلیون اتم آنتی هیدروژن سنتز شد. از آن زمان، سرن پیشرو جهانی در مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی پادماده بوده است.

ضد ذرات و قوانین اساسی طبیعت

در فیزیک مدرن، تقارن نقش استثنایی ایفا می کند. در نظریه میدان کوانتومی، یکی از مهمترین تقارن ها، تقارن CPT است، یعنی تقارن با توجه به جایگزینی همزمان همه بارها با © مخالف، بازتاب آینه ای فضا (P) و معکوس شدن زمان. (T). اعتقاد بر این است که فقط نظریه های متقارن CPT را می توان در طبیعت تحقق بخشید. تقارن CPT حاکی از ویژگی های بسیاری است که ذرات و پادذرات باید از آنها تبعیت کنند، به عنوان مثال، برابری جرم هر دو. در حال حاضر، جالب است که چگونه بسیاری از پادذرات منفرد رفتار نمی کنند، بلکه ضد اشیاء پیچیده تر مانند هسته ها و اتم ها رفتار می کنند. به عنوان مثال، سرن به طور فعال خواص طیف سنجی اتم های آنتی هیدروژن را بررسی می کند. تقارن CPT مستلزم این است که این ویژگی ها دقیقاً مشابه ویژگی های اتم هیدروژن باشد. همچنین، یک اتم پاد هیدروژن باید مانند اتم هیدروژن در میدان گرانشی زمین بیفتد. و اکنون چنین آزمایشی در سرن در حال انجام است. بنابراین سرن تنها برخورد دهنده هادرون بزرگ و بوزون هیگز نیست. این نیز آزمونی از تقارن های اساسی طبیعت است. برای درک جهان اطراف ما، این تقارن ها حتی از بوزون هیگز نیز مهم تر هستند. تاکنون، آزمایش‌ها نتوانسته‌اند حتی یک نشانه از نقض تقارن CPT را پیدا کنند.

حالا بیایید به اطراف نگاه کنیم و یک سوال طبیعی دیگر از خود بپرسیم: چرا ما فقط توسط ماده احاطه شده ایم؟ و ضد ماده کجا از دنیای ما ناپدید شد؟ این مشکل عدم تقارن باریونی جهان نامیده می شود. از قضیه CPT، ساده‌لوحانه است که انتظار داشته باشیم بعد از انفجار بزرگ مقدار مساوی ماده و پادماده وجود داشته باشد. این بدان معنی است که دیر یا زود ممکن است نابودی جهانی رخ دهد. و تنها فوتون‌های منفرد تقریباً غیر متقابل از طریق جهان بی‌جان هجوم خواهند آورد.

معمای عدم تقارن باریون هنوز حل نشده است. در اینجا می توان چندین پاسخ ارائه کرد. به عنوان مثال، منظومه شمسی ما از ماده ساخته شده است، در حالی که منظومه ستاره ای دیگر که دور از منظومه ما قرار دارد از پادماده ساخته شده است. اما معلوم نیست به چه دلایلی به جای نابودی، ماده و پادماده ترجیح داده اند در فضا از هم جدا شوند؟ و ستاره شناسان ضد جهان های ستاره ای را مشاهده نمی کنند.

ایده دیگری در سال 1967 توسط آکادمیک شوروی، برنده جایزه صلح نوبل، آندری دیمیتریویچ ساخاروف ارائه شد. او پیشنهاد کرد که عدد باریون - همان چیزی که در ابتدای این مقاله در مورد آن صحبت کردیم - نقض شده است، و علاوه بر این از واقعیت تجربی نقض بار ترکیبی © و برابری فضایی (P) استفاده کرد. سپس ذرات ناپایدار می توانند تا حدودی متفاوت از پادذرات ناپایدار تجزیه شوند. و این کافی است که در نهایت ماده کمی بیشتر از ضد ماده وجود دارد. بقیه ماده و پادماده نابود شدند. و تمام اجسام در جهان از مقدار کمی ماده تشکیل شده اند. در حال حاضر نظریه ساخاروف تکمیل و توسعه یافته است. اما ایده اصلی بدون تغییر باقی مانده است.

در مورد ضد ماده به ستاره ها

اغراق نیست اگر بگوییم که بشر آرزوی پرواز به سوی ستاره ها را دارد. اما حتی تا نزدیکترین ستاره، پروکسیما قنطورس، نور خورشید بیش از سه سال طول می کشد. بقیه ستارگان دور هستند. فانتست ها به راحتی با کمک تونل های فضا-زمان، هایپردرایوها، بعد دهم و سایر روش های راحت، اما، افسوس، فقط خیالی حمل و نقل، بر چنین فاصله های غول پیکری غلبه می کنند. در دنیای واقعی، سفینه های فضایی اولین کاوشگران ستاره ای باید در همان فضای نور و ترجیحاً با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کنند. در عین حال، ما می خواهیم چنین فضاپیمایی کوچکترین جرم ممکن را داشته باشد. در این شرایط هیچ سوختی بهتر از ضد ماده برای یک فضاپیما وجود ندارد. در واقع، کل جرم سوخت در طول نابودی به فوتون هایی تبدیل می شود که با سرعت نور از نازل خارج می شوند. فوتون ها باید فضاپیما را تا سرعت های بسیار بالا شتاب دهند که کسری از سرعت نور است. این بدان معناست که پرواز به پروکسیما قنطورس می تواند مثلاً سی سال طول بکشد. این مقدار زیادی است، اما کاوشگران ستاره در طول عمر یک نسل زمان خواهند داشت تا به زمین بازگردند. بعدش چی؟ می‌تواند مانند داستان‌های علمی تخیلی دهه‌های 1950 و 1960 باشد: خلبان‌های فضایی که به دلیل پارادوکس دوقلو تقریباً پیر شده‌اند، و دخترانی که روی زمین در اتاق‌های برودتی منتظر آنها هستند. عاشقانه کیهانی دهه شصت طلایی یا زندگی سخت روزمره دو هزار و پنجاه؟ اما همه چیز با معادله دیراک غیرمعمول شروع شد که به ناچار باید دو راه حل داشت و کارل اندرسون که حدس زد یک صفحه سربی را در محفظه ابر وارد کند.

دلیلی وجود نداشت که فرض کنیم وجود یک پوزیترون، یا به قولی که اکنون بهتر است آن را پادالکترون بنامیم، از ویژگی های ذرات کوچک است. با وجود تعدادی از ویژگی های خاص، نظریه برهمکنش بین نوکلئون ها در امتداد همان خطوط نظریه برهمکنش الکترون ها توسعه می یابد. در بیشتر مقالات نظری، فرض بر این است که نوکلئون ها باید با معادلات کاملاً مشابه معادلات دیراک برای الکترون ها توصیف شوند. اگر چنین است، پس برای نوکلئون ها باید انتظار وجود پادذره هایی را داشت که در همان ها قرار دارند

ارتباط با پروتون و نوترون که پوزیترون و الکترون در آنها قرار دارند. تجربه نشان داده است که این دقیقاً در مورد پروتون صادق است. کمی بعد، پادنوترون نیز کشف شد که در جهت گشتاور مغناطیسی با نوترون تفاوت دارد (برای نوترون، گشتاور مغناطیسی و بردار تکانه دورانی ضد موازی و برای پادنوترون موازی هستند).

برنج. 246. (به اسکن مراجعه کنید)

کشف پاد پروتون اعتبار ایده کلی را نشان می دهد - ارتباط جدایی ناپذیر میدان با ذرات. درست مثل یک جفت پوزیترون -

یک الکترون، یک جفت پروتون-ضد پروتون می تواند با انتقال یک نوکلئون از حالت انرژی منفی به حالتی با انرژی مثبت ایجاد شود. برای این منظور، انرژی مورد نیاز کمتر از این انرژی عظیم است، 1840 برابر بیشتر از انرژی مورد نیاز برای ایجاد یک جفت الکترون-پوزیترون. میلیاردها شتاب دهنده الکترون ولت برای امکان پذیر ساختن کشف آنتی پروتون مورد نیاز بود.

هنگامی که یک پروتون با یک آنتی پروتون ملاقات می کند، آنها از بین می روند. از آنجایی که نوکلئون ها انرژی را از طریق میدان مزون منتقل می کنند، در هنگام نابودی جرم و انرژی آنها به کوانتوم های این میدان - مزون ها داده می شود.

شکی نیست که این روند در سال های آینده مورد بررسی دقیق قرار خواهد گرفت.

روی انجیر 246 عکسی از نابودی یک پروتون و یک ضد پروتون را نشان می دهد. این فرآیند در یک محفظه حباب پر از پروپان مایع مشاهده شد. نمودار فرآیند در بالا سمت چپ نشان داده شده است.

ملاحظات در مورد نیاز به وجود پادذرات در مورد نوترینوها نیز صدق می کند. تصویر "آینه" را پادنوترینو می نامند. تفاوت بین ذرات تشکیل دهنده دوتایی با نوترون و پادنوترون یکسان است.

در قالب یک دوتایی، میون ها و همچنین ذرات بنیادی دیگری وجود دارد که ما در مورد آنها صحبت نکردیم.

میون ها سه گانه هستند: میون به صورت انواع با بارهای مثبت و منفی و همچنین با باری برابر با صفر رخ می دهد. برخلاف نوترون و نوترینو، یک میون خنثی بدون چرخش نمی‌تواند پادذره داشته باشد (همچنین می‌توان گفت: با پاد ذره‌اش منطبق است). ذره دیگری که «بازتاب» ندارد فوتون است.

- دوقلوهای ذرات بنیادی معمولی که با علامت بار الکتریکی و علائم برخی ویژگی های دیگر با دومی تفاوت دارند. ذرات و ضد ذرات جرم، چرخش و طول عمر یکسانی دارند. اگر ذره با سایر ویژگی های کوانتومی داخلی که دارای علامت هستند نیز مشخص شود، مقادیر این ویژگی ها برای پادذره یکسان است، اما علائم مخالف هستند. اگر ذره ناپایدار باشد (تجربه پوسیدگی)، آنگاه پادذره نیز ناپایدار است، و طول عمر آنها با هم و روش های فروپاشی منطبق است (تا جایگزینی در طرح های فروپاشی ذرات به پادذره).
ماده معمولی از پروتون (p)، نوترون (n) و الکترون (e -) تشکیل شده است. پادماده از پادذرات آنها تشکیل شده است - آنتی پروتون ها ()، ضد نوترون ها () و پادالکترون ها (پوزیترون e +). انتخاب اینکه کدام ذرات به عنوان ذره و کدام به عنوان پادذره در نظر گرفته شود مشروط است و با ملاحظات راحتی تعیین می شود. پاد ذره پاد ذره یک ذره است. هنگامی که یک ذره و یک پادذره با هم برخورد می کنند، ناپدید می شوند (از بین می روند) و به کوانتوم گاما تبدیل می شوند.
در برخی موارد (به عنوان مثال، فوتون یا π 0 -مزون و غیره)، ذره و پادذره کاملاً بر هم منطبق هستند. این به دلیل این واقعیت است که فوتون و π 0 -مزون بار الکتریکی و سایر مشخصات داخلی با علامت ندارند.

مشخصه	ذره	پاد ذره
وزن	م	م
شارژ الکتریکی	+(-) س	-(+) س
چرخش	جی	جی
لحظه مغناطیسی	+(-)μ	-(+)μ
عدد باریون	+B	-ب
عدد لپتون	+L e، +L μ، +L τ	-L e، -L μ، -L τ
عجیب بودن	+(-)s	-(+)s
افسون	+(-)ج	-(+)ج
پایین بودن	+(-)b	-(+)b
برتری	+(-)t	-(+)t
ایزوسپین	من	من
طرح ریزی ایزوسپین	+(-) من 3	-(+)I 3
برابری	+(-)	-(+)
طول عمر	تی	تی
طرح پوسیدگی		مزدوج بار

پادماده از پادذرات - پاد پروتون، پاد نوترون و پادالکترون - پوزیترون e + تشکیل شده است. ذرات و پاد ذرات با هم برابرند. انتخاب اینکه کدام ذره به عنوان ذره و کدام به عنوان پادذره در نظر گرفته شود مشروط است و با ملاحظات راحتی تعیین می شود. در بخش قابل مشاهده کیهان، ماده از الکترون‌هایی با بار منفی، پروتون‌های با بار مثبت و نوترون‌ها تشکیل شده است.
هنگامی که یک الکترون و یک پوزیترون با هم برخورد می کنند، ناپدید می شوند (از بین می روند) و به کوانتوم های گاما تبدیل می شوند. در طی نابودی ذرات به شدت برهم کنش، به عنوان مثال، یک پروتون و یک آنتی پروتون، چندین مزون π + , π - , π 0 , K + , K - , K 0 تشکیل می شوند.

در واقع، این ادعا که برهمکنش ذرات و پادذرات همواره مستلزم ایجاد فوتون است، حتی در مورد الکترون ها و پوزیترون ها نیز نادرست است. یک جفت الکترون-پوزیترون آزاد با تشکیل کوانتوم های الکترومغناطیسی تنها در صورتی از بین می رود که انرژی آن خیلی زیاد نباشد. الکترون‌ها و پوزیترون‌های بسیار سریع قادر به تولید پی مزون‌های مثبت و منفی هستند (آنها هم پیون‌ها هستند)، میون‌های مثبت و منفی، پروتون‌ها و پادپروتون‌ها و حتی ذرات سنگین‌تر - فقط انرژی کافی است. پروتون‌ها و پادپروتون‌های آهسته در طول نابودی پیون‌های باردار و خنثی (و سریع به ذرات دیگر) ایجاد می‌کنند که به کوانتوم‌های گاما، میون‌ها و نوترینوها تجزیه می‌شوند. اصولاً برخورد یک ذره و ضد کپی آن می تواند منجر به هر یک از ترکیبات ذرات شود که اصول تقارن و قوانین بقای آن را ممنوع نکرده است.

ممکن است به نظر برسد که نابودی هیچ تفاوتی با دیگر فعل و انفعالات بین ذره ای ندارد، اما یک ویژگی اساسی دارد. برای اینکه ذرات پایدار، مانند پروتون ها یا الکترون ها، هنگام برخورد با هم، رگباری از ساکنان عجیب و غریب کیهان خرد را ایجاد کنند، باید به درستی پراکنده شوند. پروتون های آهسته به سادگی سرعت خود را در هنگام ملاقات تغییر می دهند - این پایان کار خواهد بود. اما پروتون و پادپروتون با نزدیک شدن، یا تحت پراکندگی و پراکندگی کشسانی قرار می گیرند یا ذرات ثانویه را از بین می برند و تولید می کنند.

همه موارد فوق به نابودی ذرات آزاد اشاره دارد. اگر حداقل یکی از آنها بخشی از یک سیستم کوانتومی باشد، وضعیت در اصل یکسان می ماند، اما جایگزین ها تغییر می کنند. به عنوان مثال، نابودی یک الکترون آزاد و یک پوزیترون آزاد هرگز نمی تواند تنها یک کوانتوم را ایجاد کند - قانون بقای تکانه اجازه نمی دهد. اگر در سیستم مرکز اینرسی جفت برخورد کار می کنید، دیدن این ساده تر است - در این صورت تکانه اولیه برابر با صفر خواهد بود و بنابراین نمی تواند با تکانه یک فوتون منطبق باشد، مهم نیست که کجا می رود. اگر یک پوزیترون با الکترونی برخورد کند که مثلاً بخشی از اتم هیدروژن است، نابودی یک فوتون نیز امکان پذیر است - در این حالت، بخشی از تکانه به هسته اتم منتقل می شود.

در مورد ANTIGRAV چطور؟

فیزیکدان انگلیسی آرتور شوستر معتقد بود که پادماده توسط ماده معمولی به صورت گرانشی دفع می شود، اما علم مدرن این را بعید می داند. از کلی ترین اصول تقارن قوانین جهان خرد، چنین برمی آید که پادذرات باید مانند ذرات بدون پیشوند «ضد» به وسیله گرانش به یکدیگر جذب شوند. این سوال که برهمکنش گرانشی ذرات و پادذرات چیست هنوز به طور کامل حل نشده است، اما پاسخ آن تقریباً واضح است.
بیایید با نظریه نسبیت عام اینشتین شروع کنیم. بر اساس اصل برابری دقیق جرم‌های گرانشی و اینرسی است، و برای ماده معمولی این گفته به‌طور تجربی با اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق بسیاری تأیید شده است. از آنجایی که جرم اینرسی یک ذره دقیقا برابر با جرم پادذره آن است، به نظر می رسد که جرم گرانشی آنها نیز برابر باشد. با این حال، این هنوز یک فرض است، هرچند بسیار قابل قبول، و نمی توان آن را با استفاده از نسبیت عام اثبات کرد.

این ثبت تابش با مشخصه انرژی نابودی یا ثبت مستقیم ضد ذرات بر اساس جرم و بار است. از آنجایی که آنتی پروتون ها و هسته های پاد هلیوم نمی توانند در اتمسفر پرواز کنند، آنها را فقط می توان با کمک ابزارهایی که در لایه های بالای جو روی بالون ها یا ابزارهای مداری مانند طیف سنج آلفا مغناطیسی AMS-01 تحویل داده شده به ایستگاه میر شناسایی کرد. در سال 1998، یا همتای بسیار بهبود یافته آن AMS-02 (تصویر)، که کار خود را در ISS آغاز خواهد کرد.

راه های اصلی برای جستجوی ضد ماده

استدلال دیگری علیه دافعه گرانشی بین ماده و پادماده از مکانیک کوانتومی ناشی می شود. به یاد بیاورید که هادرون ها (ذراتی که در فعل و انفعالات قوی شرکت می کنند) از کوارک هایی تشکیل شده اند که توسط پیوندهای گلوئونی به هم چسبیده اند. هر باریون از سه کوارک تشکیل شده است، در حالی که مزون ها از ترکیبات زوج کوارک ها و آنتی کوارک ها تشکیل شده اند و همیشه یکسان نیستند (یک مزون که شامل یک کوارک و آنتی کوارک خودش است، یک ذره واقعاً خنثی است به این معنا که کاملاً یکسان است. آنتی مزون آن). با این حال، این ساختارهای کوارکی را نمی توان کاملاً پایدار در نظر گرفت. به عنوان مثال، یک پروتون از دو کوارک u تشکیل شده است که هر یک حامل بار الکتریکی اولیه 2/3 + و یک کوارک d با بار 1/3- است (بنابراین بار پروتون +1 است. ). با این حال، این کوارک ها، در نتیجه تعامل با گلوئون ها، می توانند ماهیت خود را برای مدت کوتاهی تغییر دهند - به ویژه، می توانند به آنتی کوارک تبدیل شوند. اگر ذرات و پادذرات به صورت گرانشی یکدیگر را دفع کنند، وزن پروتون (و البته نوترون) باید اندکی نوسان کند. با این حال، تا کنون چنین اثری در یک آزمایشگاه پیدا نشده است.

شکی نیست که روزی اعلیحضرت آزمایش به این سوال پاسخ خواهد داد. ما به کمی نیاز داریم - تا پادماده بیشتری را جمع کنیم و ببینیم که چگونه در میدان گرانشی زمینی رفتار می کند. با این حال، از نظر فنی، این اندازه‌گیری‌ها بسیار پیچیده هستند و پیش‌بینی اینکه چه زمانی می‌توانند اجرا شوند، دشوار است.

خوب فرقش چیست؟

پس از کشف پوزیترون به مدت ربع قرن، تقریباً همه فیزیکدانان مطمئن بودند که طبیعت بین ذرات و پادذرات تمایز قائل نمی شود. به طور خاص، اعتقاد بر این بود که هر فرآیند فیزیکی شامل ذرات دقیقاً مشابه فرآیند مشابهی است که شامل پادذرات است و هر دوی آنها با احتمال یکسان انجام می‌شوند. داده های تجربی موجود گواهی می دهد که این اصل برای هر چهار برهمکنش اساسی - قوی، الکترومغناطیسی، ضعیف و گرانشی مشاهده می شود.
و سپس همه چیز به طور چشمگیری تغییر کرد. در سال 1956، فیزیکدانان آمریکایی، لی جوندائو و یانگ جنینگ، مقاله ای را منتشر کردند که برنده جایزه نوبل شد و در آن درباره دشواری دو ذره به ظاهر یکسان، مزون تتا و مزون تاو، که به تعداد متفاوتی از پیون ها تجزیه می شوند، بحث کردند. نویسندگان تاکید کردند که این مشکل را می توان حل کرد اگر فرض کنیم که چنین فروپاشی با فرآیندهایی همراه است که شخصیت آنها هنگام رفتن از سمت راست به سرد تغییر می کند، به عبارت دیگر، با انعکاس آینه ای (کمی بعد، فیزیکدانان متوجه شدند که به طور کلی، ما نیاز داریم. صحبت در مورد بازتاب ها در هر یک از سه صفحه مختصات - یا، همان چیزی است، در مورد تغییر علائم همه مختصات فضایی، وارونگی فضایی). این بدان معناست که فرآیند آینه‌ای ممکن است ممنوع شود یا با احتمال متفاوتی نسبت به قبل از آینه‌سازی رخ دهد. یک سال بعد، آزمایش‌کنندگان آمریکایی (متعلق به دو گروه مستقل و کار با روش‌های مختلف) تأیید کردند که چنین فرآیندهایی وجود دارند.
این سرآغاز است. در همان زمان، فیزیکدانان نظری از اتحاد جماهیر شوروی و ایالات متحده آمریکا متوجه شدند که نقض تقارن آینه، نقض تقارن با توجه به جایگزینی ذرات با پادذرات را ممکن می‌سازد، که بارها در آزمایش‌ها نیز ثابت شد. شایان ذکر است که نه چندان دور قبل از لی و یانگ، اما هنوز در همان سال 1956، امکان شکستن تقارن آینه ای توسط فیزیکدان تجربی مارتین بلاک و نظریه پرداز بزرگ ریچارد فاینمن مورد بحث قرار گرفت، اما آنها هرگز این ملاحظات را منتشر نکردند.

در طی یکی از آخرین ماموریت های شاتل (STS-134) در سال 2010، یک ابزار علمی جدید، طیف سنج مغناطیسی آلفا (AMS-02، طیف سنج مغناطیسی آلفا)، به ایستگاه فضایی بین المللی تحویل داده خواهد شد. نمونه اولیه AMS-01 آن در سال 1998 در ایستگاه فضایی میر تحویل داده شد و عملکرد مفهومی را تایید کرد. هدف اصلی این برنامه علمی مطالعه و اندازه گیری با دقت بالا ترکیب پرتوهای کیهانی و همچنین جستجوی اشکال عجیب و غریب ماده - ماده تاریک، ماده عجیب (ذراتی که حاوی کوارک های عجیب و غریب هستند) خواهد بود. و همچنین ضد ماده - به ویژه، هسته های آنتی هلیوم.

AMS به ISS

فیزیکدانان به طور سنتی انعکاس آینه ای را با حرف لاتین P، و جایگزینی ذرات با پادذراتشان را با حرف C تعیین می کنند. هر دو تقارن تنها در فرآیندهایی که شامل برهمکنش ضعیف است، نقض می شوند، فرآیندی که مسئول فروپاشی بتا هسته های اتمی است. نتیجه این است که به دلیل برهمکنش های ضعیف است که تفاوت هایی در رفتار ذرات و ضد ذرات وجود دارد.
نقض عجیب تقارن آینه‌ای که جان می‌گیرد، تلاش می‌کند تا به نوعی آن را جبران کند. قبلاً در سال 1956، لی و یانگ و به طور مستقل Lev Landau پیشنهاد کردند که طبیعت بین سیستم هایی که با اعمال تبدیل های C و P از یکدیگر به دست می آیند تمایز قائل نمی شود (به اصطلاح تقارن CP). از نقطه نظر تئوری، این فرضیه بسیار قانع کننده به نظر می رسد و علاوه بر این، به خوبی با داده های تجربی مطابقت دارد. با این حال، تنها هشت سال بعد، کارمندان آزمایشگاه ملی بروکهاون دریافتند که یکی از مزون‌های K بدون بار (یا همانطور که به آنها کائون نیز گفته می‌شود) می‌تواند به یک جفت پایون تجزیه شود. با رعایت دقیق تقارن CP، چنین تحولی غیرممکن است - و بنابراین، این تقارن جهانی نیست! درست است، سهم پوسیدگی های ممنوعه از 0.2٪ بیشتر نبود، اما باز هم اتفاق افتاد! این کشف باعث شد تا جیمز کرونین و وال فیچ، رهبران تیم بروکهاون، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کنند.

تقارن و ضد ماده

نقض تقارن CP مستقیماً با تفاوت بین ماده و پادماده مرتبط است. در اواخر دهه 1990، آزمایش بسیار زیبایی در سرن با کائون های خنثی K 0 انجام شد که هر کدام از یک کوارک d و یک آنتی کوارک عجیب و غریب بزرگتر تشکیل شده است. قوانین طبیعت به آنتی کوارک اجازه می دهد تا مقداری از انرژی خود را از دست بدهد و به یک آنتی d تبدیل شود. انرژی آزاد شده را می توان برای واپاشی کائون استفاده کرد، اما ممکن است کوارک d همسایه آن را جذب کند و به یک کوارک عجیب تبدیل شود. در نتیجه یک ذره ظاهر می شود که از یک ضد کوارک d و یک کوارک عجیب، یعنی یک آنتی کائون خنثی تشکیل شده است. به طور رسمی، این تبدیل را می توان نتیجه اعمال تبدیل CP به کائون توصیف کرد!
بنابراین، اگر تقارن CP کاملاً دقیق مشاهده شود، آنگاه کائون‌های خنثی K 0 با احتمال مشابهی که تحت تبدیل‌های معکوس قرار می‌گیرند، به پادذرات خود تبدیل می‌شوند. هر گونه نقض تقارن CP مستلزم تغییر در یکی از این احتمالات خواهد بود. اگر پرتویی از تعداد مساوی کائون ها و آنتی کائون های خنثی تهیه کنیم و دینامیک غلظت هر دو ذره را دنبال کنیم، می توانیم بفهمیم که آیا نوسانات کوانتومی آنها به تقارن CP احترام می گذارد یا خیر.

این دقیقا همان کاری است که فیزیکدانان سرن انجام داده اند. آنها دریافتند که آنتی کائون های خنثی کمی سریعتر از تبدیل شدن به آنتی کائون ها به کائون تبدیل می شوند. به عبارت دیگر، فرآیندی کشف شد که طی آن پاد ماده سریعتر از ماده به پاد ماده تبدیل به ماده می شود! در مخلوطی که در ابتدا قسمت‌های ماده و پادماده مساوی است، با گذشت زمان، حتی مقدار کمی از ماده، اما همچنان قابل اندازه‌گیری، اضافه می‌شود. همین اثر در آزمایش‌ها با سایر ذرات خنثی سنگین - مزون‌های D0 و مزون‌های B0- نشان داده شد.
بنابراین، در پایان قرن بیستم، آزمایش‌کنندگان به طور قانع‌کننده‌ای ثابت کردند که برهمکنش‌های ضعیف اثرات متفاوتی بر ذرات و پادذرات دارند. اگرچه این تفاوت ها به خودی خود بسیار کوچک هستند و تنها در جریان تغییر شکل های خاص ذرات بسیار عجیب و غریب آشکار می شوند، اما همه آنها کاملا واقعی هستند. این به معنای وجود عدم تقارن فیزیکی بین ماده و پادماده است.
برای تکمیل تصویر باید به یک مورد دیگر نیز توجه کرد. در دهه 1950، مهم ترین گزاره مکانیک کوانتومی نسبیتی، قضیه CPT، اثبات شد. می گوید که ذرات و پادذرات با توجه به تبدیل CP و به دنبال آن معکوس زمانی کاملاً متقارن هستند (به بیان دقیق، این قضیه فقط بدون در نظر گرفتن گرانش صادق است، در غیر این صورت سؤال باز می ماند). بنابراین، اگر تقارن CP در برخی از فرآیندها رعایت نشود، سرعت آنها در جهت "به جلو" و "معکوس" (البته اینکه چه چیزی را به عنوان هر دو در نظر بگیریم، مورد توافق است) نباید یکسان باشد. این دقیقا همان چیزی است که آزمایش‌های سرن با کائون‌های خنثی ثابت کرد.

ضد جهان کجاست؟

در سال 1933، پل دیراک مطمئن بود که در جهان ما جزایر کاملی از ضد ماده وجود دارد که او در سخنرانی نوبل خود به آنها اشاره کرد. با این حال، دانشمندان مدرن معتقدند که چنین جزایری نه در کهکشان ما و نه در فراتر از آن وجود ندارد. البته پادماده به عنوان چنین وجود دارد. ضد ذرات توسط بسیاری از فرآیندهای پرانرژی تولید می شوند - مثلاً سوزاندن حرارتی هسته ای سوخت ستاره ها و انفجارهای ابرنواختری. آنها در ابرهای پلاسمایی مغناطیسی اطراف ستاره های نوترونی و سیاهچاله ها، در طی برخورد ذرات سریع کیهانی در فضای بین ستاره ای، زمانی که جو زمین توسط پرتوهای کیهانی بمباران می شود، و در نهایت در آزمایش های شتاب دهنده به وجود می آیند. علاوه بر این، فروپاشی برخی از رادیونوکلئیدها با تشکیل پادذرات - یعنی پوزیترون ها - همراه است. اما همه اینها فقط ضد ذرات هستند و به هیچ وجه ضد ماده نیستند. تاکنون هیچ کس نتوانسته حتی آنتی هلیوم کیهانی را شناسایی کند، چه رسد به عناصر سنگین تر. جستجو برای تابش گاما با یک طیف خاص، ناشی از نابودی در مرزهای خوشه‌های کیهانی ماده و پادماده، نیز ناموفق بود.

جهان یا ضد جهان؟

بیایید تصور کنیم که در حال پرواز در یک کشتی بین ستاره ای هستیم که به سیاره ای با حیات هوشمند نزدیک می شود. چگونه بفهمیم که برادران ما از چه چیزی ساخته شده اند - ماده یا ضد ماده؟ شما می توانید یک کاوشگر شناسایی بفرستید، اما اگر در جو منفجر شود، ممکن است مانند رمان علمی تخیلی کریستوف بورون، آنتی جهان، ما را مهاجمان فضایی در نظر بگیرند. با استفاده از همان کائون ها و آنتی کائون های خنثی می توان از این امر جلوگیری کرد. همانطور که قبلا ذکر شد، آنها نه تنها می توانند به یکدیگر تبدیل شوند، بلکه می توانند از هم جدا شوند و به روش های مختلف. در چنین فروپاشی‌هایی، نوترینوها می‌توانند با پیون‌ها و الکترون‌های مثبت یا با پیون‌ها و پوزیترون‌های منفی همراه شوند. به دلیل عدم تقارن بین ماده و پادماده، سرعت چنین واکنش هایی تا حدودی متفاوت است. این شرایط را می توان به عنوان "کاغذ تورنسل" استفاده کرد. برای آزمایش ضد مادی بودن یک سیاره، استفاده از کائون ها و آنتی کائون های خالص، بلکه حالت های مخلوط آنها راحت است. آنها به عنوان K S و K L (S - کوتاه و L - بلند) تعیین می شوند. واقعیت این است که در حالت L، طول عمر یک ذره 570 برابر بیشتر از حالت S است (5.12 x 10 -8 در مقابل 8.95 x 10 -11 ثانیه). در نسخه با عمر طولانی کائون ها، تقارن ماده و پادماده بسیار قوی تر است - به ازای هر 10000 واپاشی از نوع مورد نظر، تقریباً 5015 پوزیترون و 4985 الکترون تولید می کنند. ضمناً آزمایش تاریخی کرونین و فینچ نیز روی مزون های K انجام شد. حالا بیایید گفتگو را شروع کنیم. کائون ها دارای جرم مشخصه اندکی بیشتر از نصف پروتون هستند. بیایید در ذهن برادران توضیح دهیم که ما به یک ذره خنثی ناپایدار نیاز داریم که جرم آن کمی بزرگتر از جرم هسته ساده ترین اتم ها باشد. فیزیکدانان بیگانه کی مزون ها را می سازند و ویژگی های فروپاشی آنها را تعیین می کنند. ما می‌پرسیم که آیا علامت بار الکتریکی سبک‌ترین ذرات باردار، که در این واپاشی‌ها ایجاد می‌شود، کمی بیشتر از ذره‌ای مشابه با علامت مقابل، با علامت ذرات تشکیل‌دهنده اتم‌های جهان آنها منطبق است؟ در صورت پاسخ مثبت، برای ما روشن می شود که پوزیترون ها بخشی از اتم های آنها هستند و بنابراین، بیگانه از پادماده تشکیل شده است. و اگر پاسخ منفی است - می توانید برای فرود آماده شوید!

جهان یا ضد جهان؟

گزارش هایی به طور دوره ای در ادبیات علمی در مورد کشف منابع اولیه غیر استاندارد ضد ذرات کیهانی با منشاء ناشناخته ظاهر می شود. در آوریل 2009، داده‌هایی در مورد بیش از حد مرموز پوزیترون‌های بسیار سریع شناسایی‌شده توسط مجموعه آشکارساز PAMELA منتشر شد. این تجهیزات بر روی ماهواره روسی Resurs-DK که در 15 ژوئن 2006 از کیهان بایکونور به مدار نزدیک زمین فرستاده شد، قرار داده شده است. برخی از کارشناسان این نتیجه را به عنوان شواهد احتمالی از نابودی ذرات ماده تاریک فرضی تفسیر کردند، اما به زودی توضیحی کمتر عجیب و غریب ارائه شد. این فرضیه توسط متخصص مشهور پرتوهای کیهانی ونیامین برزینسکی از آزمایشگاه ملی گران ساسو، که بخشی از موسسه ملی فیزیک هسته‌ای ایتالیا است، توضیح داد: «مدل استاندارد برای تولید پرتوهای کیهانی کهکشانی بر روی سه موقعیت استوار است. بقایای ابرنواختر به عنوان منبع اول و اصلی ذرات باردار در نظر گرفته می شود.ایده دوم - ذرات در جبهه امواج ضربه ای پس از انفجار به سرعت های ماوراء نسبیت شتاب می گیرند و در این شتاب نقش میدان مغناطیسی خودشان بسیار زیاد است.سومین موقعیت این است که پرتوهای کیهانی از طریق انتشار منتشر می شوند.پاسکول بلاسی، دانشجوی سابق من و اکنون استاد مؤسسه ملی اخترفیزیک، نشان داد که مازاد پوزیترون های کشف شده توسط مجموعه PAMELA کاملاً با این مدل سازگار است. پروتون های شتاب گرفته در امواج شوک با ذرات گاز کیهانی و در این ناحیه از شتاب آنها است که به پیون های مثبت تبدیل می شوند که تجزیه می شوند. tsya با تشکیل پوزیترون و نوترینو. طبق محاسبات Blazy، این فرآیند می تواند دقیقاً همان غلظت پوزیترون را ایجاد کند که پاملا پیدا کرد. چنین مکانیزمی برای تولید پوزیترون کاملاً طبیعی به نظر می رسد، اما به دلایلی تا به حال هرگز به ذهن کسی خطور نکرده است. بلاسی همچنین نشان داد که همین فرآیندها باید پادپروتون های اضافی نیز تولید کنند. با این حال، سطح مقطع تولید آنها بسیار کوچکتر از مقدار مربوط به پوزیترون است، به همین دلیل آنها را فقط در انرژی های بالاتر می توان تشخیص داد. فکر می‌کنم به مرور زمان امکان‌پذیر خواهد شد."
به طور کلی، تا کنون همه چیز گویای این واقعیت است که هیچ ضد ستاره، هیچ ضد سیاره یا حتی کوچکترین ضد شهاب در فضا وجود ندارد. از سوی دیگر، مدل‌های بیگ بنگ معمولی بیان می‌کنند که اندکی پس از تولد، جهان ما دارای همان تعداد ذره و پادذره است. پس چرا اولی زنده ماند و دومی ناپدید شد؟