Upload
corby
View
70
Download
1
Embed Size (px)
DESCRIPTION
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. Symetri a w fizyce. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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