L'antimateria è come una sostanza in ogni modo. Si sono formati simultaneamente e da un'unica fonte. Di conseguenza, ce ne sono molti e praticamente non ce ne sono altri. Ci deve essere una spiegazione per questo.
Tutto ciò con cui entriamo in contatto nella nostra vita è fatto di materia. La tazza che teniamo in mano è costituita da molecole, molecole - di atomi, atomi, contrariamente al loro nome ("atomo" in greco significa "indivisibile") - di elettroni, protoni e neutroni. Gli ultimi due sono chiamati "barioni" dagli scienziati. Possono essere ulteriormente suddivisi, in quark, e forse anche oltre, ma per ora ci soffermeremo su questo. Insieme formano la materia.
Come tutti i nostri lettori sanno, la materia ha un antipodo: l'antimateria. Quando entrano in contatto, si annientano con il rilascio di un'energia molto grande - si annientano. Secondo i calcoli dei fisici, un pezzo di antimateria delle dimensioni di un mattone, che colpisce la Terra, può provocare un effetto simile all'esplosione di una bomba all'idrogeno. Sotto tutti gli altri aspetti, gli antipodi sono simili: l'antimateria ha massa, le leggi della fisica le si applicano pienamente, ma la sua carica elettrica è opposta. Per un antiprotone è negativo, e per un positrone (antielettrone) è positivo. E anche l'antimateria praticamente non si trova nella realtà che ci circonda.
La ricerca dell'antimateria
O è da qualche parte lì? Non c'è niente di impossibile in un simile presupposto, ma viviamo nel mondo, anche se non possiamo stringere la mano ai nostri antipodi. È del tutto possibile che vivano anche da qualche parte.
Probabilmente tutte le galassie osservate oggi sono composte da materia ordinaria. Altrimenti, i loro confini sarebbero una zona di annientamento quasi continuo con la materia circostante, sarebbe visibile da lontano. Gli osservatori terrestri registrerebbero i quanti di energia formati durante l'annientamento. Fino a quando questo non accadrà.
La prova della presenza nell'Universo di notevoli quantità di antimateria potrebbe essere la scoperta da qualche parte nello spazio (sulla Terra, a causa dell'elevata densità di materia, è chiaramente inutile cercare nuclei di antielio). Due antiprotoni, due antineutroni. Le antiparticelle che compongono un tale nucleo vengono regolarmente prodotte in collisioni di particelle ad alta energia negli acceleratori terrestri e naturalmente quando la materia è bombardata dai raggi cosmici. La loro scoperta non ci dice nulla. Ma l'antielio può essere formato allo stesso modo se quattro delle sue particelle costituenti nascono simultaneamente in un luogo. Questo non può essere definito completamente impossibile, ma un tale evento nell'intero Universo accade circa una volta ogni quindici miliardi di anni, il che è abbastanza paragonabile al tempo della sua esistenza.
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Preparazione per il lancio di un pallone con un rilevatore di particelle spaziali come parte dell'esperimento BESS. Il rilevatore è visibile in primo piano e pesa 3 tonnellate. / & copia; i.wp-b.com
Pertanto, il rilevamento dell'antielio può essere considerato, se non come un saluto dagli antipodi, quindi come una prova che da qualche parte nelle profondità dello spazio, galleggia un pezzo di antimateria di dimensioni decenti. Quindi è volato da lì.
Purtroppo, i ripetuti tentativi di ricerca dell'antielio negli strati superiori dell'atmosfera terrestre o durante l'avvicinamento ad esso non hanno ancora portato al successo. Naturalmente, questo è il caso in cui "l'assenza di tracce di polvere da sparo sulle mani non prova nulla". Può darsi che fosse solo molto lontano per volare (nell'ordine di miliardi di anni luce), e entrare in un piccolo rivelatore su un piccolo pianeta è ancora più difficile. E di sicuro, se il rilevatore fosse più sensibile (e più costoso), le nostre possibilità di successo sarebbero maggiori.
Le anti-stelle, se si trovassero in natura, nel corso delle reazioni termonucleari genererebbero lo stesso flusso di antineutrini delle stelle ordinarie: il flusso dei loro antipodi. Gli stessi antineutrini dovrebbero formarsi durante le esplosioni di antisupernova. Finora non è stato scoperto né l'uno né l'altro, ma va notato che l'astronomia dei neutrini sta generalmente muovendo i primi passi.
Detector Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Canada. / & copia; squarespace.com
In ogni caso, non abbiamo ancora informazioni affidabili sull'esistenza di quantità apprezzabili di antimateria nell'Universo.
Questo è un bene e un male allo stesso tempo. È brutto perché, secondo i concetti moderni, nei primi momenti dopo il Big Bang, si sono formate sia la materia che l'antimateria. Successivamente, si annichilirono, dando origine a radiazioni cosmiche relitte. Il numero di fotoni in esso contenuti è molto grande, è circa un miliardo di volte maggiore del numero di barioni (cioè protoni e neutroni) nell'Universo. In altre parole, a volte, all'inizio del tempo, la sostanza nell'Universo si è rivelata essere un miliardesimo in più dell'antimateria. Poi tutto il "superfluo" è scomparso, annichilito, ed è rimasta una miliardesima quota. Il risultato è quello che viene chiamato asimmetria barionica nella letteratura speciale.
Per i fisici, lo squilibrio è un problema perché deve essere spiegato in qualche modo. Almeno nel caso di oggetti che sotto tutti gli altri aspetti si comportano in modo simmetrico.
E per noi (fisici inclusi) questo è un bene, perché con la stessa quantità di materia e antimateria si verificherebbe l'annichilimento completo, l'Universo sarebbe vuoto e non ci sarebbe nessuno a fare domande.
I termini di Sakharov
Gli scienziati hanno realizzato l'esistenza di un grande problema cosmologico verso la metà del 20 ° secolo. Le condizioni in cui l'Universo diventa il modo in cui lo vediamo sono state formulate da Andrei Sakharov nel 1967 e da allora sono state un "luogo comune" della letteratura tematica, almeno in russo e inglese. In una forma molto semplificata, assomigliano a questo.
Primo, in alcune condizioni, che probabilmente esistevano nell'Universo primordiale, le leggi della fisica funzionano ancora in modo diverso per materia e antimateria.
In secondo luogo, in questo caso il numero barionico potrebbe non essere conservato, cioè il numero di barioni dopo la reazione non è uguale a quello precedente.
Terzo, il processo deve procedere in modo esplosivo, cioè deve essere disequilibrio. Questo è importante, perché in equilibrio le concentrazioni di sostanze tendono a pareggiare e dobbiamo ottenere qualcosa di diverso.
A. D. Sakharov, fine anni '60. / & copia; thematicnews.com
È qui che finisce la parte generalmente accettata della spiegazione, e poi le ipotesi regnano in mezzo secolo. Il più autorevole al momento collega l'incidente con l'interazione elettrodebole. Diamo un'occhiata più da vicino a lei.
Spazio bollente
Per spiegare cosa è successo alla nostra materia, dovremo sforzare la nostra immaginazione e immaginare che ci sia un certo campo nell'Universo. Non sappiamo ancora nulla della sua esistenza e delle sue proprietà, tranne che è associato alla distribuzione di materia e antimateria nello spazio ed è in qualche misura simile alla temperatura a cui siamo abituati, in particolare può assumere valori sempre più grandi, fino a un certo livello, che può essere paragonato punto di ebollizione.
Inizialmente, la materia nell'universo è in uno stato misto. Fa molto "caldo" in giro - le virgolette potrebbero essere omesse qui, poiché anche la temperatura normale è molto alta, ma stiamo parlando del suo analogo immaginario. Questo analogo "bolle" - il valore massimo.
Man mano che lo spazio si espande, le "gocce" iniziano a condensarsi dal "vapore" iniziale, in cui è "più freddo". Finora, tutto sembra esattamente come con l'acqua: se il vapore surriscaldato si trova in una nave, il cui volume aumenta abbastanza rapidamente, si verifica il raffreddamento adiabatico. Se è abbastanza forte, parte dell'acqua cadrà come un liquido.
Acqua condensata dal vapore. / & copia; 3.bp.blogspot.com
Qualcosa di simile accade con la materia nello spazio. Man mano che il volume dell'Universo cresce, il numero e la dimensione delle "gocce" aumentano. Ma poi inizia qualcosa che non ha analogie nel mondo a cui siamo abituati.
Le condizioni per la penetrazione di particelle e antiparticelle nelle "gocce" non sono le stesse, è un po 'più facile per le particelle farlo. Di conseguenza, l'uguaglianza iniziale delle concentrazioni viene violata, nel "liquido" condensato c'è un po 'più di sostanza e nella "fase di ebollizione" - il suo antipodo. In questo caso, il numero totale di barioni rimane invariato.
E poi, nella "fase di ebollizione", iniziano a funzionare gli effetti quantistici dell'interazione di campi elettrodeboli, il che, a quanto pare, non dovrebbe modificare il numero di barioni, ma in realtà equalizzare il numero di particelle e antiparticelle. A rigor di termini, anche questo processo avviene a "gocce", ma lì è meno efficace. Pertanto, il numero totale di antiparticelle è ridotto. Questo è scritto brevemente e, ovviamente, molto semplificato, infatti, tutto è molto più interessante, ma ora non entreremo nella teoria profonda.
Due effetti si rivelano fondamentali per spiegare la situazione. L'anomalia quantistica delle interazioni elettrodeboli è un fatto osservato, è stato scoperto nel 1976. La differenza nella probabilità che le particelle penetrino nella zona di condensazione è un fatto calcolato e, quindi, ipotetico. Il campo stesso, che "bolle" e poi si raffredda, non viene ancora rilevato. Quando si è formata la teoria, si è ipotizzato che questo fosse il campo di Higgs, ma dopo la scoperta del famoso bosone, si è scoperto che non aveva nulla a che fare con esso. È del tutto possibile che la sua apertura sia ancora in attesa dietro le quinte. O forse no, e allora i cosmologi dovranno inventare altre spiegazioni. L'universo ha aspettato questo per quindici miliardi di anni, può aspettare un altro.
Sergey Sysoev
