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

Through the Looking Glass What’s the Matter with Antimatter ? David Kirkby, APS, 2003

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)

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

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

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?

Paul Dirac (1902 – 1984) Szczególna teoria względności, E>0. E2 = p2 + m2 → E = +(p2 + m2)1/2 , E = -(p2 + m2)1/2 Mechanika kwantowa + Szczególna teoria względności (1928) Dirac, imagining holes and seas in 1928 Ujemne rozwiązanie dla E powraca. Pojawiają się rozwiązania równania Diraca z ujemną energią Dirac interpretuje je jako dziury w morzu “antycząstek” Elektron o energii E może wypełnic tę dziurę, emitując energię 2E i pozostawiając próżnię (efektywnie dziura posiada ładunek +e i dodatnią energię). Materia i antymateria anihiluje !!!

Pozyton – Antycząstka dla Elektronu 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 Pozyton – Antycząstka dla Elektronu 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 1955 6 GeV Fixed target threshold energy required to produce p + p  p + p + anti-p + p Odkryty w promieniowaniu kosmicznym Carl Anderson in 1932 (Caltech) Masa taka jak elektronu ale ładunek dodatni 63 MeV positron track 23 MeV positron track 6mm Pb plate Anderson zobaczył ślad w komorze mgłowej pozostawiony przez coś dodatnio naładowanego i mającego masę taka jak elektron Historia odkryć antycząstek: 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) !

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 Czas t –t Pęd –p p Spin s –s Pole Elektryczne –E E Pole Magnetyczne 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.

CPT – grawitacja, elektromagnetyzm, oddz. silne Siły jądrowe (oddz. silne) Eksperymenty dowiodły że każda z symetrii C, P i T jest z osobna zachowywana w oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych.

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 Czas t –t Pęd –p p Spin s –s Pole Elektryczne –E E Pole Magnetyczne B –B Parzystość P i sprzężenie ładunkowe C są łamane w oddziaływaniach słabych maksymalnie Za pomocą oddziaływań słabych możemy odróżnić stronę prawą od lewej! TCO ~ 0.01 K polarized in magnetic field

n prawoskrętne P n lewoskrętne spin spin spin spin

Symetrią „lustrzanego odbicia” materia-antymateria jest kombinowana symetria CP Jeżeli jest zachowywana to świat „lustrzanego odbicia” jest nieodróżnialny

CP

Odkrycie łamania symetrii CP Uważano, że w układzie neutralnych kaonów występują dwa stany własne CP o różnych czasach życia: długożyciowy KL i krótkożyciowy KS Obserwowane rozpady na piony: i Wierzono, że : i Stosunek czasów życia: τL+/ τS- = 580 Ale, Cronin, Fitch et al. (BNL) odkryli w 1964 rozpady łamiące CP: KL→π+π- KL  +– events Obecny najdokładniejszy pomiar stosunku amplitud: Measurement of opening angle of pion tracks and their invariant mass: Jim Cronin Val Fitch

Escher i łamanie CP P C CP

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

Jaką odpowiedź otrzymamy? Note: ring is not necessarily due to dark matter ! Hubble space telescope picture of Cluster ZwCl0024+1652 Image: NASA, ESA, M.J. JEE AND H. FORD (Johns Hopkins University)

Matter-Antimatter Asymmetry q 10,000,000,000 q Current universe 1 q 10,000,000,000 Early universe ?

Universe

Bariogeneza - warunki Sakharova Wszechświat jest prawie pusty. Warunki Sakharova (1967) konieczne do bariogenezy Niezachowanie liczby barionowej Łamanie C i CP Nierównowaga termodynamiczna Cała materia naszego wszechświata to wynik drobnej niedoskonałości symetrii CP 21

The Future of B Physics and CP Violation at the LHC 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 22

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 słabych ale CP jest „prawie” zachowana CP, T są symetriami złamanymi ~ 2*10-3 Obecnie jedynym znanym źródłem łamania CP są oddziaływania słabe