1 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Antymateria Lustrzane odbicie Wszechświata?

Mariusz Witek

Wykorzystano materiały: Andreas Höcker - CERN Summer Student Lectures

2 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Through the

Looking Glass

What’s the Matter with

Antimatter ?

David Kirkby, APS, 2003

3 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Symetria w fizyce

• 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)

Symetria w fizyce jest pojmowana jako pewna transformacja po której opis układu fizycznego pozostaje niezmieniony.

4 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Symetrie ciągłe a zasady zachowania

SymetriaNiezmienniczość po przesunieciu w czasie

Jednorodność przestrzeni

Izotropia przestrzeni

TransformacjaPrzesunięcie w czasie

Przesunięcie w przestrzeni

Obrót

Wielkość zachowywana

Energia Pęd Moment pędu

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

Symetrie dokładne – nie obserwujemy od nich odstępstw

5 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Symetrie dyskretne C P T

• Symetrie dyskretne w świecie makroskopowym są symetriami przybliżonymi

– Np. symetria obrotu, odbicia 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 złożenia operacji CPT

6 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

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?

7 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Paul Dirac (1902 – 1984)

, , 0i x t m x t

Ujemne rozwiązanie dla E powraca. Pojawiają się rozwiązania równania Diraca z ujemną energią

Mechanika kwantowa + Szczególna teoria względności

Materia i antymateria anihiluje !!!

Elektron o energii E może wypełnic tę dziurę, emitując energię 2E i pozostawiając próżnię (efektywnie dziura posiada ładunek +e i dodatnią energię).

Energy

0

em

em

1/ 2s 1/ 2s

E

E

Dirac, imagining holes and seas in 1928

(1928)

E2 = p2 + m2 → E = +(p2 + m2)1/2 , E = -(p2 + m2)1/2

Szczególna teoria względności, E>0.

Dirac interpretuje je jako dziury w morzu “antycząstek”

8 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

63 MeV positron track

23 MeV positron track

6mm Pb plate

1955: antyproton (Chamberlain-Segrè, Berkeley)

1956: antyneutron (Cork et al., LBNL)

1965: antydeuteron (Zichichi, CERN and Lederman, BNL)

1995: antyatom wodoru (CERN, by now millions produced !)

Każda cząstka ma swoją antycząstkę

Niektóre cząstki są swoimi antycząstkami (np. foton) !

Historia odkryć antycząstek:

Anderson zobaczył ślad w komorze mgłowej pozostawiony przez coś dodatnio naładowanego i mającego masę taka jak elektron

Pozyton – Antycząstka dla Elektronu

Odkryty w promieniowaniu kosmicznym Carl Anderson in 1932 (Caltech)

Masa taka jak elektronu ale ładunek dodatni

incoming antiproton

“annihilation star”(large energy release from antiproton destruction)

Reproduction of an antiproton annihilation star as seen in nuclear emulsion (source: O. Chamberlain, Nobel Lecture)

outgoing charged particles

Antiproton discovery 19556 GeV Fixed target threshold energy required to produce p + p p + p + anti-p + p

incoming antiproton

“annihilation star”(large energy release from antineutron destruction)

Antiproton charge-exchange reaction into neutron-antineutron pair in propane bubble chamber (source: E.G. Segrè, Nobel Lecture)

p + anti-p n + anti-n

Antineutron discovery 1956

9 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

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.

10 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

CPT – grawitacja, elektromagnetyzm, oddz. silne

Eksperymenty dowiodły że każda z symetrii C, P i T jest z osobna zachowywana w oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych.

)( BvEv

qdt

dm

Grawitacja

Elektromagnetyzm

Siły jądrowe (oddz. silne)

11 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

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.

TCO ~ 0.01 K polarized in magnetic field

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

Za pomocą oddziaływań słabych możemy odróżnić stronę prawą od lewej!

Parzystość P i sprzężenie ładunkowe C są łamane w oddziaływaniach słabych maksymalnie

12 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

ˆ v ( v)=

( ) ( )

def

P r r r r p m m p

L r p r p L spin spin

spin spin

spin spin

e e

e

eP̂

prawoskrętne

P lewoskrętne

13 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Symetrią „lustrzanego

odbicia” materia-antymateria jest kombinowana symetria CP

Jeżeli jest zachowywana to

świat „lustrzanego odbicia” jest

nieodróżnialny

14 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

CP

15 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Obserwowane rozpady na piony: i

Wierzono, że : i

0

SK 0

LK

S SCP K K L LCP K K

Jim Cronin

Val Fitch

Measurement of opening angle of pion tracks and their invariant mass:

Odkrycie łamania symetrii CP

Stosunek czasów życia:

τL+/ τS

- = 580

Uważano, że w układzie neutralnych kaonów występują dwa stany własne CP o różnych czasach życia: długożyciowy KL i krótkożyciowy KS

Ale, Cronin, Fitch et al. (BNL) odkryli w 1964 rozpady łamiące CP: KL→π+π-

KL +– events

32.282 0.017 10

L

S

A K

A K

Obecny najdokładniejszy pomiar stosunku amplitud:

16 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

P

P

C C

Escher i łamanie CP

CP

17 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Cechy i konsekwencje łamania CP

• 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 na naładowany kaon i naładowany pion z większym stosunkiem niż jego anty partner B.

• 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 Bs.

0

0B K

B K

BABARBABAR

18 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Jaką odpowiedź otrzymamy?

Image: NASA, ESA, M.J. JEE AND H. FORD (Johns Hopkins University)

Hubble space telescope picture of Cluster ZwCl0024+1652

Not

e: r

ing

is n

ot n

eces

saril

y du

e to

dar

k m

atte

r !

19 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Early universe ?

q

Current universe

q1

Matter-Antimatter Asymmetry

q q

20 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Universe

21 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Warunki Sakharova (1967) konieczne do bariogenezy

1. Niezachowanie liczby barionowej

2. Łamanie C i CP

3. Nierównowaga termodynamiczna

• Wszechświat jest prawie pusty. baryon baryon baryon 10

~ 10n nn

On n

Bariogeneza - warunki Sakharova

Cała materia naszego wszechświata to wynik drobnej niedoskonałości symetrii CP

22 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

ATLAS CMS

ALTAS and CMS concentrate on “high-pT” discovery physics.

Their B-physics potential relies on the low-pT performance of the Trigger systems.

LHCb

LHCb is not a fixed-target exp-eriment (looks like one). It con-centrates on low-pT B physics.

Virtues over ATLAS & CMS: Low-pT track trigger, particle ID & better mass resolution

The Future of B Physics and CP Violation at the LHC

23 2008-11-20 M. Witek - Antymateria

Łamanie CP jest konieczne do wytłumaczenia braku antymaterii

P, C, T są zachowane: grawitacja, elektromagnetyzm, oddz. silne

P, C są łamane maksymalnie w oddziaływaniach słabych ale CP jest

„prawie” zachowana

CP, T są symetriami złamanymi ~ 2*10-3

Obecnie jedynym znanym źródłem łamania CP są oddziaływania słabe

Podsumowanie