Materia si antimateria

In primele momente ale Universului au fost create cantitati enorme atat de materie cat si de antimaterie. Ulterior, acestea s-au combinat si s-au anihilat generand energia care a condus la expansiunea Universului. Dar din unele motive, exista mai multa materie decat antimaterie. Tot ceea ce vedem astazi reprezinta acea fractiune de materie care a “supravietuit”.

Intrebarea ramane “de ce”? De ce exista mai multa materie decat antimaterie, si de unde acest “dezechilibru” ce s-a petrecut imediat dupa Big Bang?

Cercetatorii de la Universitatea din Melbourne cred ca au gasit un posibil raspuns.

Universul este alcatuit aproape in totalitate din materie. In modelul standard al fizicii particulelor, materia si antimateria este aproape identica. Dupa ce materia si antimateria s-a “anihilat” una pe cealalta, o mica parte din materie a ramas, facand posibila existenta galaxiilor si a tuturor obiectelor existente in Universul observabil. Insa acest model nu explica diferenta dintre materie si antimaterie.

Cercetatorii de la Universitatea din Melbourne au folosit acceleratorul de particule KEK din Japonia pentru a crea particule numite mezoni B. Aceste particule contin un cuarc “bottom”, de aici si denumirea. Mezonii au o viata foarte scurta, cu o masa de aproximativ 200 de ori mai mare decat cea a unui electron. Particulele acestea contin un quark si un anti-quark ce orbiteaza una in jurul celeilalte precum Pamantul si Luna. Datorita mecanicii cuantice, quark-ul si anti-quark-ul orbiteaza in moduri diferite, depinzand de masa particulei.

Un mezon B este o particula grea, avand masa de 5 ori mai mare decat a unui proton.

In acceleratorul KEK, cercetatorii au putut crea atat mezoni B cat si anti-mezoni B si au aratat cum acestia s-au anihilat. Dupa ce procesul a avut loc, inca a mai ramas materie. Probabil asa cum s-a intamplat si la inceputul Universului, materia ramasa putand da nastere stelelor, planetelor si galaxiilor pe care le vedem astazi.

Laboratorul Fermilab

Echipa de cercetatori de la Fermilab au accelerat protoni si antiprotoni, provocand coliziuni ce au produs mai multe fragmente mici numite “muoni” si “anti-muoni”. Rezultatul a fost foarte interesant pentru faptul ca au obtinut mai multi muoni decat anti-muoni. Acest experiment a aratat victoria materiei asupra anti-materiei si ar putea fi o replicare la o scara mica a ceea ce oamenii de stiinta considera ca s-a intamplat la scurt timp dupa Big Bang. Cu toate acestea, experimentul nu a raspuns si la intrebarea: “de ce?”.

Daca in starea initiala au avut cantitati simetrice in ciocnirea dintre protoni si antiprotoni, se astepta ca si la final sa se obtina materie si antimaterie in cantitati egale. Totusi, rezultatele au aratat ca nu este asa. Muonii negativi au fost obtinuti intr-o cantitate mai mare decat cei pozitivi (antimaterie) aproximativ cu 1%. In timp ce ei oscileaza, se transforma in structuri de antiparticule corespunzatoare si revin periodic la starile initiale de particule. Diferenta consta in aceea ca mezonii Bs oscileaza mai rapid. Adica trec de la starea de materie la cea de antimaterie, dar ceea ce este interesant este ca petrec ceva mai mult timp in starea de materie decat in cea de antimaterie.

Bogdan Dobrescu de la Fermilab spune intr-un interviu acordat pentru Scientific American ca “surpriza este asa de mare incat nu indraznesc sa faca prea multa valva pana nu se verifica aceste rezultate, eventual si din alte experimente”. Bogdan Dobrescu a descris aceasta asimetrie prin introducerea unei noi particule. Si la LHC inca se cauta raspunsuri.

Acceleratorul de particule de la CERN

Acceleratorul de particule de la CERN incearca sa raspunda la aceasta intrebare. Ce mecanism este implicat si ce anume a provocat acesta asimetrie.

Teoria actuala, cunoscuta sub numele de Modelul Standard al fizicii particulelor a prezis o asimetrie intre materie si antimaterie. Dar nu suficient pentru a explica de ce exista mai multa materie, iar antimateria este extrem de rara.

Aceasta teorie incearca sa defineasca si sa explice particulele fundamentale care alcatuiesc Universul. Combina elemente din teoria relativitatii a lui Einstein cu teoria cuantica. De asemenea, implica si trei din cele patru forte fundamentale care exista in Univers: forta nucleara tare, forta nucleara slaba si forta electromagnetica. Cea de-a patru forta este gravitatia.

Modelul Standard face multe predictii despre univers si multe dintre acestea sunt in acord cu experimentele realizate. Dar exista si unele aspecte ale acestui model care au ramas nedemonstrate. Una dintre acestea este existenta unei particule, teoretica pana acum, numita bozonul Higgs.

Bozonul Higgs ar putea oferi raspunsuri la unele intrebari cu privire la masa, precum “de ce materia are masa?”. Cea mai simpla idee care incearca sa raspunda la aceasta intrebare este mecanismul Higgs.  Particula teoretica nu a fost observata si poate chiar sa nici nu existe. Cercetatorii de la LHC doresc sa confirme existenta particulei, sau sa o infirme. Orice rezultat s-ar obtine, ar oferi informatii noi si indicii ce ar putea duce la revolutionarea ideilor in lumea fizicii particulelor.

O alta intrebare pe care oamenii de stiinta o pun, este modul cum materia se comporta in conditiile primordiale de la inceptul Universului. In primele momente ale existentiei, materia s-a separat de energie, iar particulele de materie si anti-materie s-au anihilat una pe cealalata. Din fericire pentr noi, a ramas un surplus de materie in urma anihilarii.

In experimentele de la LHC s-ar putea observa cum se comporta materia si antimateria si ar putea oferi raspunsuri si explicatii, ajutandu-ne sa intelegem de ce a existat o diferenta foarte mica intre cantitatea de materie si cea de antimaterie.