Создание материи

Даже ограничивая обсуждение физикой , ученые не имеют однозначного определения того, что такое материя . В известной на данный момент физике элементарных частиц , обобщенной стандартной моделью элементарных частиц и взаимодействий, можно в абсолютном смысле различать частицы материи и частицы антиматерии . Это особенно легко сделать для тех частиц, которые несут электрический заряд , таких как электроны , протоны или кварки , тогда как различие более тонкое в случае нейтрино , фундаментальных элементарных частиц, которые не несут электрический заряд. В стандартной модели невозможно создать чистое количество частиц материи — или, точнее, невозможно изменить чистое количество лептонов или кварков в какой-либо пертурбативной реакции между частицами. Это замечание согласуется со всеми существующими наблюдениями.

Однако подобные процессы не считаются невозможными и ожидаются и в других моделях элементарных частиц, расширяющих стандартную модель. Они необходимы в спекулятивных теориях, целью которых является объяснение космического избытка материи над антиматерией, таких как лептогенез и бариогенез . Они могли бы даже проявиться в лаборатории как распад протона или как образование электронов в ходе так называемого безнейтринного двойного бета-распада. Последний случай имеет место, если нейтрино являются майорановскими частицами , являясь одновременно материей и антивеществом, согласно определению, данному чуть выше. ^[1]

В более широком смысле слово «материя» можно использовать просто для обозначения фермионов . В этом смысле частицы материи и антиматерии (такие как электрон и позитрон ) идентифицируются заранее. Процесс, обратный аннигиляции частиц , можно назвать созданием материи ; точнее, мы рассматриваем здесь процесс, полученный при обращении времени процесса аннигиляции. Этот процесс также известен как рождение пар и может быть описан как преобразование легких частиц (т. е. фотонов) в одну или несколько массивных частиц. ^{[ нужна ссылка ]}. Наиболее распространенным и хорошо изученным является случай, когда два фотона превращаются в пару электрон - позитрон .

Производство пар фотонов

Из-за законов сохранения импульса создание пары фермионов (частиц материи) из одного фотона не может произойти. Однако эти законы допускают создание материи в присутствии другой частицы (другого бозона или даже фермиона), которая может разделять импульс первичного фотона. Таким образом, материя может быть создана из двух фотонов.

Закон сохранения энергии устанавливает минимальную энергию фотонов, необходимую для создания пары фермионов: эта пороговая энергия должна быть больше, чем полная энергия покоя созданных фермионов. Для создания электрон-позитронной пары полная энергия фотонов в системе покоя должна быть не менее 2 m _e c ² = 2 × 0,511 МэВ = 1,022 МэВ ( m _e — масса одного электрона и c — скорость света в вакууме), значение энергии, соответствующее мягким гамма-излучения фотонам . Для создания гораздо более массивной пары, такой как протон и антипротон , необходимы фотоны с энергией более 1,88 ГэВ (жесткие гамма-фотоны).

Первые опубликованные расчеты скорости e ⁺-и ⁻ Рождение пар в фотонных столкновениях было осуществлено Львом Ландау в 1934 году. ^[2] Было предсказано, что процесс e ⁺-и ⁻ создание пар (путем столкновений фотонов) доминирует при столкновении ультрарелятивистских заряженных частиц, поскольку эти фотоны излучаются узкими конусами вдоль направления движения исходной частицы, значительно увеличивая поток фотонов.

высоких энергий В коллайдерах частиц события создания материи привели к появлению большого разнообразия экзотических тяжелых частиц, высыпающихся из сталкивающихся фотонных струй (см. двухфотонную физику ). В настоящее время двухфотонная физика изучает создание различных фермионных пар как теоретически, так и экспериментально (с помощью ускорителей частиц , воздушных ливней , радиоактивных изотопов и т. д.).

можно создать все фундаментальные частицы В стандартной модели , включая кварки, лептоны и бозоны, используя фотоны с различными энергиями выше некоторого минимального порога, либо напрямую (путем образования пар), либо путем распада промежуточной частицы (например, W ⁻ бозон, распадающийся с образованием электрона и электрона-антинейтрино). ^{[ нужна ссылка ]}

обычную барионную материю Как было показано выше, чтобы произвести из фотонного газа , этот газ должен не только иметь очень большую плотность фотонов , но и быть очень горячим — энергия ( температура ) фотонов должна заведомо превышать энергию массы покоя данного пара частиц материи. Пороговая температура рождения электронов составляет около 10 ¹⁰ К , 10 ¹³ K для протонов и нейтронов и т. д. Согласно теории Большого взрыва , в ранней Вселенной безмассовые фотоны и массивные фермионы свободно взаимопревращались. По мере расширения и охлаждения фотонного газа некоторые фермионы оставались бы (в крайне малых количествах ~10 ⁻¹⁰), потому что фотоны низкой энергии больше не могли разбить их на части. Эти оставшиеся фермионы стали бы той материей, которую мы видим сегодня во Вселенной вокруг нас.

См. также

Ссылки

^ Делл'Оро, С.; Маркоччи, С.; Виссани, Ф. (2018). «Проверка создания материи с помощью безнейтринного двойного бета-распада». arXiv : 1710.06732 [ геп-ф ].
^ Ландау, Л.Д.; Лифшиц, Е.М. (1934). «Рождение электронов и позитронов при столкновении двух частиц» . Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion . 6 : 244–257. Збл 0010.23102 . Архивировано из оригинала 24 марта 2012 г. Проверено 11 сентября 2011 г.

[1] Делл'Оро, С.; Маркоччи, С.; Виссани, Ф. (2018). «Проверка создания материи с помощью безнейтринного двойного бета-распада». arXiv : 1710.06732 [ геп-ф ].

[2] Ландау, Л.Д.; Лифшиц, Е.М. (1934). «Рождение электронов и позитронов при столкновении двух частиц» . Physikalische Zeitschrift der Sowjetunion . 6 : 244–257. Збл 0010.23102 . Архивировано из оригинала 24 марта 2012 г. Проверено 11 сентября 2011 г.

[1]

[2]