Quanto menos estudamos, mais o conhecimento fundamental sobre a natureza nos é revelado. Se pudéssemos compreender e descrever os menores objetos existentes, poderíamos construir nesta base uma compreensão dos grandes. No entanto, não sabemos se há um limite para minimizar o espaço.
Existem regras em nosso Universo que nunca observamos quebrar. Esperamos que alguns deles nunca tenham sido violados. Nada pode viajar mais rápido do que a luz. Quando dois quanta interagem, a energia é sempre conservada. Você não pode criar ou destruir momentum e momentum angular. Etc. Mas algumas dessas regras, embora não tenhamos visto, devem ter sido quebradas em algum momento no passado.
Um deles é a simetria da matéria e da antimatéria. Cada interação em que as partículas de matéria nascem ou são destruídas, destrói ou gera um número igual de suas contrapartes do mundo da antimatéria - as antipartículas. Considerando que nosso universo é quase inteiramente feito de matéria e quase não contém antimatéria (não há estrelas, galáxias ou estruturas cósmicas estáveis feitas de antimatéria), essa simetria foi obviamente quebrada no passado. No entanto, como exatamente isso aconteceu permanece um mistério. O mistério da assimetria matéria / antimatéria continua sendo uma das maiores questões em aberto na física.
Além disso, costumamos dizer "partículas", significando as partes constituintes da matéria, e "antipartícula", significando as partes constituintes da antimatéria, mas isso não é inteiramente verdade. As partículas nem sempre são importantes e as antipartículas nem sempre são a antimatéria. Isso é o que a ciência tem a dizer sobre essa situação contra-intuitiva.
De escalas macroscópicas a subatômicas, o tamanho das partículas fundamentais desempenha um pequeno papel na determinação do tamanho das estruturas compostas. Ainda não se sabe se esses blocos de construção são realmente partículas fundamentais e pontuais, mas entendemos como o universo funciona desde escalas grandes e cósmicas até escalas pequenas e subatômicas. O corpo humano contém cerca de 10 28 átomos.
Imaginando os materiais que podem ser encontrados na Terra, você provavelmente presumirá que 100% deles consistem em matéria. É mais ou menos assim - quase todo o nosso planeta é feito de matéria. Também consiste em prótons, nêutrons e elétrons - e todos esses são partículas de matéria. Prótons e nêutrons são partículas compostas feitas de quarks up e down que se ligam aos glúons e formam o núcleo dos átomos. Os elétrons são anexados a esses núcleos - de modo que a carga elétrica total do átomo é zero, e os elétrons são conectados aos núcleos por interação eletromagnética transmitida por meio da troca de fótons.
Porém, periodicamente, uma das partículas do núcleo atômico sofre decaimento radioativo. Um exemplo típico é o decaimento beta... Um dos nêutrons se transforma em próton, emitindo um elétron e um antineutrino de elétron. Ao estudar as propriedades das várias partículas e antipartículas envolvidas nessa decadência, você pode aprender muito sobre o universo.
Representação esquemática do decaimento beta nuclear em um núcleo atômico massivo. O decaimento beta funciona por meio de interações fracas, convertendo um nêutron em um próton, um elétron e um antineutrino de elétron. Antes da descoberta dos neutrinos, parecia que a energia e o momentum não eram conservados em decaimentos beta.
O nêutron com o qual começamos tem as seguintes propriedades:
- É eletricamente neutro, sua carga total é zero.
- É composto por três quarks - dois inferiores (com carga elétrica de -1/3) e um superior (com carga elétrica de 2/3).
- Ele contém cerca de 939 MeV de energia na forma de uma massa de repouso.
As partículas nas quais ele decai - um próton, um elétron e um antineutrino do elétron - também têm suas próprias propriedades únicas.
- A carga elétrica de um próton é +1, consiste em um quarks down e dois up, e contém cerca de 938 MeV de energia em sua massa de repouso.
- A carga elétrica de um elétron é -1, é uma partícula fundamentalmente invisível e armazena cerca de 0,5 MeV de energia em sua massa de repouso.
- Um antineutrino de elétron não tem carga elétrica, é uma partícula fundamentalmente invisível, sua massa de repouso é desconhecida (mas maior que zero) e não mais do que 0,0000001 MeV de energia é armazenada nele.
Todas as leis de conservação obrigatórias ainda estão lá. A energia é conservada e um pequeno suprimento de energia "extra" de nêutrons é convertido em energia cinética das partículas resultantes. O momento é conservado, e a soma dos momentos das partículas resultantes é sempre igual ao momento inicial do nêutron. No entanto, não queremos apenas estudar onde começamos e onde acabamos - queremos saber como isso aconteceu.
Os nêutrons livres são instáveis. Eles têm meia-vida de 10,3 minutos e decaem em prótons, elétrons e antineutrinos de elétrons. Se você transformar um nêutron em um antinêutron, todas as partículas se transformarão nas antipartículas correspondentes. A matéria será substituída pela antimatéria e a antimatéria pela matéria.
De acordo com a teoria quântica, o decaimento requer uma partícula que o controle. Na teoria quântica de interacções fracas, que descreve este processo, isto é feito pela W - Higgs , que desempenha o papel de uma das quark inferiores do neutrão. Vamos ver o que acontece com as partículas fundamentais.
Um dos quarks para baixo em um neutrão emite um W virtual - de Higgs, que se transforma em um quark up. Nessa interação, o número de quarks é conservado.
Virtual W -um bóson pode decair em muitas partículas diferentes, mas esse processo é limitado pela lei da conservação de energia. Seus produtos finais de decaimento não devem ter mais energia do que a diferença na massa de repouso entre um nêutron e um próton.
Portanto, na maioria das vezes, um elétron nasce em decadência (para carregar uma carga negativa) e um elétron antineutrino. Em casos raros, você pode ver o decaimento radiativo, o que resulta em um fóton adicional. Em princípio, é possível fazer o W - decaimento de Higgs em uma combinação de quarks e antiquarks (por exemplo, a partir do baixo e anti-up), mas isso requer muita energia - mais do que é obtido pelo decaimento de um nêutron para um próton.
Em condições normais de baixas energias, um nêutron livre decai em um próton por meio de interação fraca - neste caso, o tempo aumenta para cima no diagrama. Com energias suficientemente altas, essa reação pode ir na direção oposta. Um próton e um pósitron ou neutrino podem interagir para produzir um nêutron - isto é, quando um próton interage com um próton, um deutério pode aparecer. É assim que funciona a primeira etapa crítica de síntese no Sol.
Agora vamos inverter tudo espelhado, indo da matéria à antimatéria. Em vez da decadência de um nêutron, vamos imaginar a decadência de um antinêutron. As propriedades do antinêutron são muito semelhantes às propriedades do nêutron mencionadas anteriormente, mas também existem diferenças importantes:
- É eletricamente neutro, sua carga total é zero.
- – ( +1/3) ( -2/3).
- 939 .
Passando da matéria à antimatéria, simplesmente substituímos todas as partículas por suas contrapartes de antimatéria. As massas permaneceram as mesmas, a composição (levando em consideração o prefixo "anti") permaneceu a mesma, e a carga elétrica mudou para o oposto. E embora o nêutron e o antinêutron sejam eletricamente neutros, a carga de seus componentes mudou.
E isso, aliás, pode ser medido! Embora a carga seja neutra, o elétron tem uma chamada. momento magnético , para o qual tanto o spin quanto a carga elétrica são necessários. Fomos capazes de medir seu momento magnético - é igual a -1,91 magnetons de Bohr . O momento magnético do antinêutron é +1,91 magnetons de Bohr. Todo o seu enchimento carregado deve ser o oposto de matéria e antimatéria.
Graças a experimentos e novos estudos teóricos, começamos a entender melhor a estrutura interna dos núcleons, prótons e nêutrons, incluindo como o "mar" de quarks e glúons se distribui. Os estudos nos permitem explicar a maior parte da massa dos bárions, bem como seus momentos magnéticos não triviais.
Ao decair, um quark anti-inferior emite um bóson W + , um bóson gêmeo de W - um bóson de antimatéria, que transforma o quark anti-inferior em um anti-superior. Boson W +como antes, virtual - não pode ser observado e não há massa / energia suficiente para criar um bóson "real". No entanto, seus produtos de decaimento são visíveis - um pósitron e um neutrino de elétron. (Sim, os efeitos da radiação também podem aparecer - em casos raros, um ou mais fótons são adicionados aos produtos de decaimento). Tudo passa a ser uma imagem espelhada da versão anterior, cada partícula de matéria muda para um duplo de antimatéria e partículas de antimatéria (como antineutrinos de elétrons) - vice-versa.
Quanto aos materiais que podem ser encontrados na Terra, quase todos eles são feitos de matéria - prótons, nêutrons e elétrons. Uma pequena parte desses nêutrons decai, o que significa que também temos W -bósons, prótons e elétrons extras (e fótons) e alguns antineutrinos de elétrons. Tudo o que sabemos é bem descrito pelo Modelo Padrão, e há partículas e antipartículas suficientes para descrever tudo. [clicável] O modelo padrão nos ajuda a determinar quais partículas existem na realidade e quais antipartículas para cada uma delas. E embora o Universo consista principalmente de matéria e tenha apenas vestígios de inclusões de antimatéria, nem todas as partículas dele podem ser atribuídas apenas a matéria ou antimatéria.
Poderíamos substituir a Terra por “anti-Terra”, uma versão anti-material de nós mesmos. Então, simplesmente substituiríamos cada partícula por sua antipartícula correspondente. Em vez de prótons e nêutrons (consistindo de quarks e glúons), teríamos antiprótons e antineutrons (consistindo de antiquarks, mas com os mesmos 8 glúons). Em vez de decaimento de nêutrons via W - Higgs, haveria decadência do antinêutron através da W + Higgs. Em vez de obter um elétron e um antineutrino de elétron (e às vezes um fóton), obteríamos um pósitron e um neutrino de elétron (e às vezes um fóton).
A matéria normal no Universo consiste em quarks e leptões. Quarks formam prótons e nêutrons (e bárions em geral), e os léptons incluem elétrons e seus parentes mais pesados, bem como três neutrinos comuns. No verso, estão as antipartículas que compõem a antimatéria - antiquarks e antileptons. Embora decaimentos comuns sigam caminhos diferentes envolvendo os bósons W - e W + , há uma pequena quantidade de antimatéria na forma de pósitrons e antineutrinos de elétrons. Esse seria o caso mesmo se fôssemos capazes de, de alguma forma, "nos livrar" de todo o universo externo, incluindo o Sol, os raios cósmicos e outras fontes de partículas e energia.
Partículas e antipartículas do Modelo Padrão, cuja existência é prevista pelas leis da física. Quarks e léptons são férmions e matéria. Antiquarks e antileptons são antifermions e antimatéria. No entanto, os bósons não são matéria nem antimatéria.
Mas e quanto ao resto das partículas e antipartículas? Quando falamos sobre matéria e antimatéria, estamos falando apenas sobre férmions - quarks e léptons. No entanto, também existem bósons:
- 1 fóton, um intermediário na radiação eletromagnética.
- 8 glúons, mediadores da força nuclear forte.
- 3 bósons fracos, W + , W - e Z 0 , mediadores em interações fracas e decaimentos fracos, assim como o bóson de Higgs, que é diferente de todos os outros.
Algumas das partículas são antipartículas para si mesmas - o fóton, o Z 0 e o bóson de Higgs. W + é uma antipartícula para W - , e três pares de glúons são claramente antipartículas entre si (com o quarto par, tudo é um pouco mais complicado).
Se você colide uma partícula com sua antipartícula, elas se aniquilam e podem liberar tudo o que é energia suficiente, levando em consideração todas as leis de conservação quântica - energia, momento, momento angular, carga elétrica, número bárion, número leptônico, número familiar leptônico , etc. etc. O mesmo é verdadeiro para partículas que são antipartículas para si mesmas.
Uma coleção equossimétrica de bósons de matéria e antimatéria (X e Y, e anti-X com anti-Y) com as propriedades GUT corretas poderia dar origem à assimetria de matéria e antimatéria que vemos no Universo hoje.
Ressalta-se aqui como surge a ideia de oposição de "matéria" e "antimatéria". Se você tem um número bárion ou leptônico positivo, você é importante. Se negativo, você é antimatéria. E se você não tem um número bárion ou leptônico - você não é matéria nem antimatéria! Embora existam dois tipos de partículas - férmions (quarks e leptons) e bósons (todo o resto) - em nosso universo, apenas os férmions podem ser matéria ou antimatéria.
Se os neutrinos forem férmions de Majorana, a teoria terá que ser revisada - afinal, os férmions de Majorana podem ser antipartículas para eles próprios.
Isso significa que partículas compostas, como píons ou outros mésons, que consistem em combinações de quarks e antiquarks, não pertencem à matéria ou à antimatéria - elas consistem em ambos. Positrônio - um elétron e um pósitron unidos, também não se aplica à matéria ou antimatéria. Se houver leptoquarks ou bósons superpesados X ou Y das teorias da grande unificação, então eles serão um exemplo de partículas com números de bárions e leptões - para eles haverá opções de matéria e antimatéria. Se a teoria da supersimetria estivesse correta, teríamos contrapartes fermiônicas dos fótons - os fotinos - que não são matéria nem antimatéria. Poderíamos até ter bósons supersimétricos - quadrados - e então suas versões de partículas e antipartículas seriam divididas em matéria e antimatéria. Partículas do modelo padrão e suas contrapartes supersimétricas. Um pouco menos da metade deles foi encontrada, e ninguém ainda viu evidências da existência do resto. A supersimetria deve melhorar o modelo padrão, mas ainda não fez previsões bem-sucedidas.
Seria muito simples considerar que no Universo existe matéria, consistindo de partículas, e antimatéria, consistindo de suas contrapartes-antipartículas. Isso é parcialmente verdade - a maioria das partículas do universo são feitas do que consideramos matéria. Se substituirmos todos eles por antimatéria, obteremos o que consideramos antimatéria. Este é o caso de todos os quarks (com um número bárion +1/3), leptões (com um número leptónico +1), antiquarks (com um número bárion -1/3) e antileptões (com um número leptónico -1) .
Mas tudo o mais - todos os bósons que não têm números bárions e leptônicos, todas as partículas compostas, cujos números bárions e leptônicos totais são iguais a zero, estão na região intermediária, não pertencendo à matéria ou antimatéria. Nesse caso, um dos tipos não pode ser atribuído a uma partícula e o outro a uma antipartícula. Sim, W +e W - podem aniquilar, como uma partícula / antipartícula, mas não podem ser divididos em matéria e antimatéria, como todos os outros bósons. Eles, por assim dizer, não podem reivindicar tal status. Não adianta perguntar qual deles é matéria e qual é antimatéria. Para o outro, eles são partícula e antipartícula, mas nenhum deles tem as propriedades características de matéria ou antimatéria.