Antymateria Lustrzane odbicie Wszechświata?

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

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

3. Symetria w fizyce Symetriaw fizyce jest pojmowana jako pewna transformacjapo której opis układu fizycznego pozostaje niezmieniony. • Prawanaturysą 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)

4. Symetrie ciągłe azasady 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 Symetrie dokładne – nie obserwujemy od nich odstępstw

5. 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. 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 Materia - Antymateria Jakie pytanie powinniśmy zadać naszym dalekim przyjaciołom, aby dowiedzieć się czy są zbudowani z materii czy z antymaterii?

7. E2 = p2 + m2 → E = +(p2 + m2)1/2 , E = -(p2 + m2)1/2 Paul Dirac (1902 – 1984) • Szczególna teoria względności, E>0. • 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 jakodziuryw morzu “antycząstek” • Elektron o energiiE może wypełnic tę dziurę, emitując energię 2Ei pozostawiając próżnię (efektywniedziuraposiada ładunek +eidodatnią energię). Materia i antymateria anihiluje !!!

8. Antineutron discovery 1956 Antiproton discovery 1955 6GeV Fixed target threshold energy required to produce p + p  p + p + anti-p + p incoming antiproton incoming antiproton Reproduction of an antiproton annihilation star as seen in nuclear emulsion (source: O. Chamberlain, Nobel Lecture) Antiproton charge-exchange reaction into neutron-antineutron pair in propane bubble chamber (source: E.G. Segrè, Nobel Lecture) 63 MeV positron track 6mm Pb plate  p + anti-p  n + anti-n 23 MeV positron track “annihilation star” (large energy release from antiproton destruction) outgoing charged particles “annihilation star” (large energy release from antineutron destruction)  Pozyton – Antycząstkadla Elektronu • Odkrytywpromieniowaniu kosmicznym Carl Anderson in 1932 (Caltech) • Masa taka jak elektronu ale ładunek dodatni Anderson zobaczyłślad wkomorze mgłowej pozostawiony przez coś dodatnio naładowanego i mającego masę taka jak elektron • Historiaodkryć 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) !

9. Symetrie dyskretne Symetriedyskretne prowadzą do multiplikatywnych zasad zachowania W odróżnieniu od symetrii ciągłych nie ma fundamentalnej zasadymówiącej, że prawa zachowania związane z symetriami dyskretnymi nie powinny być łamane. • Symetria odwrócenia biegu czasu jest sprzeczna z obserwacjami świata makroskopowego. Rozbite szklanki nieskładają 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. CPT – grawitacja, elektromagnetyzm, oddz. silne Grawitacja Elektromagnetyzm Siły jądrowe (oddz. silne) Eksperymenty dowiodły że każda z symetrii C, P i T jest z osobna zachowywana w oddziaływaniach grawitacyjnych, elektromagnetycznych i silnych.

11. Niespodzianka dla oddziaływań słabych ! T.D. Lee i C.N. Yang zwrócili uwagęwroku 1956 że niezmienniczośćPnie została sprawdzona w oddziaływaniach słabych. C.S. Wu przeprowadziła eksperyment wroku 1957, który wskazywał ze parzystość P była łamana. 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

12. P nlewoskrętne nprawoskrętne spin spin spin spin

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

14. CP

15. Obecny najdokładniejszypomiar stosunku amplitud: KL +– events Jim Cronin Val Fitch Odkrycie łamaniasymetrii CP • Uważano, że w układzie neutralnych kaonówwystępują dwa stany własne CP o różnych czasach życia: długożyciowy KLi krótkożyciowyKS • 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- Measurement of opening angle of pion tracks and their invariant mass:

16. Escher iłamanie CP P CP C C P

17. 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 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.

18. 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)

19. 10,000,000,000 10,000,000,000 q q q q 1 Current universe Matter-Antimatter Asymmetry Early universe ?

20. Universe

21. Bariogeneza - warunki Sakharova • Wszechświat jest prawie pusty. Warunki Sakharova (1967) konieczne dobariogenezy • Niezachowanie liczby barionowej • ŁamanieC iCP • Nierównowaga termodynamiczna Cała materia naszego wszechświata to wynik drobnej niedoskonałości symetrii CP

22. 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-pTB physics. Virtues over ATLAS & CMS: Low-pTtrack trigger, particle ID & better mass resolution The Future of B Physics and CP Violation at the LHC

23. Podsumowanie • Łamanie CPjest konieczne do wytłumaczenia braku antymaterii • P, C, Tsą zachowane: grawitacja, elektromagnetyzm, oddz. silne • P, Csą łamane maksymalnie w oddziaływaniach słabych ale CP jest „prawie” zachowana • CP, Tsą symetriami złamanymi ~ 2*10-3 • Obecnie jedynym znanym źródłem łamania CP są oddziaływania słabe