1 Антиматерия Владислав Балагура, ИТЭФ, ЦЕРН,

2 Ангелы и демоны: правда и вымысел Детективная история о похищении 1 грамма антивещества из "секретных лабораторий ЦЕРНа с целью взорвать Ватикан.

3

4 Что правда, a что вымысел? 1. Существует ли антиматерия? 2. Можно ли из неё получать энергию? 3. Ведутся ли секретные разработки по созданию бомбы из антивещества? 4. Что еще можно делать с антивеществом? 5. Зачем ЦЕРН производит антиматерию?

5 The Violation of Symmetry between Matter and Antimatter Andreas Höcker, CERN CERN Summer Student Lectures, August 7-10, 2007 В дальнейшем использованы слайды лекций

6 Предсказание античастиц П.А.Дираком Специальная теория относительности + квантовая механика Специальная теория относительности + квантовая механика

7 трек позитрона, 63 МэВ трек позитрона, 23 МэВ 6 мм пластина свинца 1955: антипротон (Chamberlain-Segrè, Berkeley) 1956: антинейтрон (Cork et al., LBNL) 1965: антинейтрон (Zichichi, CERN and Lederman, BNL) 1995: атом анти-водорода (CERN) Каждая частица имеет античастицу Некоторые частицы (например, фотон) совпадают со своими античастицами История открытия античастиц : Андерсон увидел трек в камере Вильсона, оставленный какой-то положительно заряженной частицей с массой электрона Позитрон = анти-электрон Открыт в космических лучах Андерсоном в 1932 г., имеет ту же массу, что и электрон, но положительный заряд Влетающий антипротон "звезда аннигиляции (большое энерговыделение от аннигиляции антипротона) Фотография в ядерной эмульсии (источник: : O. Chamberlain, Нобелевская лекция) Bылетающие заряженные частицы Открытие антипротона в 1955 г. Пороговая энергия 6 ГэВ для рождения антипротона на фиксированной мишени p + p p + p + anti-p + p антипротон "звезда" аннигиляции (большое энерговыделение от аннигиляции нейтрона) Реакция перезарядки антипротона с протоном с рождением антинейтрона- нейтрона в пропановой пузырьковой камере (источник: E.G. Segrè, Нобелевская лекция) p + anti-p n + anti-n Открытие антинейтрона в 1956 г.

8 Антивещество в ЦЕРНе: фабрика атомов анти-водорода = = антипротон + позитрон Антивещество в ЦЕРНе: фабрика атомов анти-водорода = = антипротон + позитрон

9 Принцип получения антипротонов Доля успешно ускоренных протонов ~10 -3 Один антипротон получается из ~10 9 протонов. Максимальная производительность антипротонов / год (что составляет 0.3 нано-грамм / год) Вероятность рождения антипротона ~10 -4 Доля антипротонов, отобранных в выходной пучок ~10 -2

10 Антипротоны и позитроны при рождении получаются "горячими". Антиводород - слабо связанная система, энергия 1S- уровня 13.6 эВ. Чтобы из горячей плазмы начали образовываться нейтральные анти-атомы, необходимо ее предварительно "остудить". Как соединить антипротоны с позитронами?

11 ЦЕРН - властелин колец Антипротонный замедлитель (AD)

12 "Охлаждение" в антипротонном замедлителе (AD)

13 Антипротонный замедлитель

14 Принцип работы магнитной ловушки После замедления антипротоны захватываются магнитной ловушкой

15 Получение позитронов из радиоактивного источника 100 млн позитронов за 2 минуты!

16 Рождение атомов анти-водорода Ловушки для захвата антипротонов и соединения их с позитронами Ловушка позитронов Радиоактивный источник 22 Na Было получено > атомов анти-водорода.

17 Что дальше? Изучение спектров антиводорода. Есть ли отличия с водородом? Законы гравитации для антивещества?

18 Ангелы и Демоны 0.5 г антивещества г вещества = 20 ктонн ТНТ = 8·10 13 Дж Необходимая для производства 0.5 г антивещества энергия (к.п.д ): ~ 4.5·10 22 Дж Цена 1 к Вт·ч (со скидкой для ЦЕРНа): 0.1 евро Полная цена ~10 15 Евро Максимальная производительность ЦЕРНа за год: ~10 14 антипротонов Полное время изготовления: ~ 3 миллиарда лет Бомба из антивещества?

19 Как антивещество изучается на Большом Адронном Коллайдере?

20

21

22

23 ATLAS

24 CMS

25 LHCb

26 ALICE

27 Ранняя Вселенная ? q Нынешняя Вселенная q 1 Асимметрия между материей и антиматерией qq

28 Условия возникновения нашей Вселенной и отсутствия антиматерии Сахаров, Нарушение барионного числа новая физика ! 2. Hарушение зарядовой и СР-четностей (возможно) новая физика ! 3. Отклонение от термодинамического равновесия (нестационарная система) Антиматерия в нашей Вселенной не обнаружена

29 Теория элементарных частиц: Стандартная Модель Силы и переносчики взаимодействий протон = Электромагнитные Фотоны ( ) Сильные Глюоны (g) Слабые Нейтральные (Z 0 ) и заряженные (W ± ) бозоны Лептоны и кварки объединяются в "поколения" Например:

30 Симметрии 1. Примеры симметрий: Люди примерно право-лево симметричны Сфера симметрична относительно вращений 2. Законы природы симметричны относительно некоторых математических операций т.е. наблюдатель не может "вычислить", была ли применена такая операция

31 Непрерывные симметрии и законы сохранения Инвариантность относительно сдвигов по времени сдвигов в пространстве поворотов пространства Сохраняющаяся величина Энергия ИмпульсУгловой момент Из классической механики мы знаем, что каждому непрерывному преобразованию, оставляющему Лагранжиан инвариантным, соответствует закон сохранения (теорема Нётер, 1915 г.) Никаких нарушений этих симметрий до сих пор не обнаружено

32 Дискретные симметрии В физике частиц : Пространственная четность P Отражение пространства относительно произвольного центра; Р-четность: нельзя определить, живем ли мы в "этом" мире, или в "отраженном в зеркале" Изменение направления течения времени T Время t заменяется на -t во всех уравнениях Т -четность: если движение системы разрешено в прямом направлении времени, то оно разрешено и в обратном Замена всех частиц античастицами, и наоборот, C Изменение всех зарядов (например, электрического) на противоположные Следующие дискретные преобразования очень важны в физике элементарных частиц: Проверка этих симметрий привела к очень неожиданным результатам!

33 C, P, T преобразования и CPT теорема ВеличинаPCT Пространственный вектор–x–xxx Времяtt–t–t Импульс–p–pp–p–p Спинss–s–s Електрическое поле–E–E–E–EE Магнитное полеB–B–B–B–B Фундаментальные следствия: Частицы и античастицы имеют одинаковые массы, времена жизни, магнитные моменты и противоположные квантовые числа G. Lüders, W. Pauli; J. Schwinger Используя предположения о природе К-мезонов: CPT теорема (1954): Любая разумная Лоренц-инвариантная квантовая теория инвариантна относительно одновременного применения всех трех преобразований C, P и T Прямые экспериментальные проверки Прямые проверки подтверждают СРТ с точностью , сравнение спектров атомов водорода и анти- водорода сможет улучшить точность до

34 Гравитация и антиматерия: притяжение или отталкивание? Гравитационное взаимодействие материи и антиматерии нельзя вывести из СРТ-теоремы Общепринятое мнение: гравитационная масса = инерциальной массе Тогда антиматерия должна притягиваться (а не отталкиваться) как и материя. Но это никогда не проверялось экспериментально!

35 Если СРТ сохраняется, то как насчет С, Р и Т? Пространственная четность часто нарушается в макроскопическом мире Левши ПравшиСмешанные Руки 5%72%22% Ноги 4%46%50% (?) Глаза 5%54%41% Уши 15%35%60% Porac C & Coren S. Lateral preferences and human behavior. New York: Springer-Verlag, 1981 Около 25% людей ездят по левой стороне Все молекулы ДНК в природе имеют одну (из двух возможных) ориентацию

36 And … the Surprise in Weak Interaction ! Т.Д.Ли и С.Н.Янг в 1956 г. обратили внимание, что Р-четность до этого момента не проверялась для слабых взаимодействий. С.Ву поставила эксперимент и в 1957 г. обнаружила нарушение Р-четности! Электроны вылетали преимущественно против спина ядра кобальта. Спин и импульс преобразуются при отражении по- разному, значит, их корреляция означает нарушение Р-четности! T CO ~ 0.01 K polarized in magnetic field Угловое распределение вылетающих электронов по отношения к спину радиоактивно распадающегося ядра кобальта где: σ – спин ядра, P e, E e - импульс и энергия электрона Было обнаружено, что Р-четность в слабых взаимодействиях всегда нарушается, причем максимально (на 100%)

37 Во взаимодействии участвует только левая компонента мюона Слабые взаимодействия нарушают и С-, и Р-четности! или правая компонента анти-мюона Например: P C запрещено B. Cahn, LBL запрещено

38 CP

39 Открытие СР-нарушения

40 Первые быстро распадаются на 2 пи-мезона,, вторые же обычно распадаются на 3,, что подавлено по энергии, и их распад протекает в 580 раз медленнее. Такое поведение объясняется различием в СР-четностях: у 2-х пи-мезонов (а, значит, и у K S ) она положительная, у 3-х (и K L ) - отрицательная. Jim Cronin Val Fitch Измерение инвариантной массы двух пи-мезонов и угла между ними Открытие СР-нарушения Есть два типа нейтральных К-мезонов: коротко- и долгоживущие, K L и K S Однако, Кронин, Фитч и другие обнаружили в 1964 г. СР-нарушающий распад Наиболее точное на сегодняшний день измерение отношения амплитуд: События K L + –

41 Рисунок, показанный Кабиббо в 1966 году Наконец, мы понимаем слабые взаимодействия... СР-нарушение

42 Нобелевская премия по физике 2008 года: Кобаяши и Москава предсказали 3-е поколение кварков исходя из СР-нарушения

43 Слабые переходы между поколениями кварков log 10 ( mass [MeV/c 2 ] ) top charm up down strange bottom Charge: +2/3 Charge: 1/3 Переходы изменяют электрический заряд, переносчик W ± Переходов "по вертикали (без изменения заряда) не обнаружено

44 Переходы между тремя поколениями Объяснение переходов между поколениями: кварки существуют в виде массовых (штрихованных) состояний, являющихся смесью разных поколений. При распаде происходит переход в какое-то одно поколение.Поворот базиса поколений в массовый базис описывается данной унитарной матрицей. Переходы описываются унитарной матрицей Кабиббо-Кобаяши-Москава (аналог ортогональной матрицы поворотов при смене квантового базиса) dsb u c t Kobayashi -Maskawa, 1973

45 Переходы между тремя поколениями dsb u c t Kobayashi -Maskawa, 1973 CP Violation (Im[...] 0) Идея Кобаяши и Москава: число свободных параметров матрицы 3 х 3 уже слишком велико (= 4), чтобы ее можно было свести к действительной ортогональной, используя произвольность в выборе фаз кварков. У матрицы поворотов 3-хмерного пространства их 3, остается один параметр, который не может быть действительным. Мнимость из матрицы перетекает в лагранжиан. Но это противоречит Т-инвариантности (смена направления времени означает комплексное сопряжение i -> -i), и означает СР-нарушение в силу СРТ. Переходы t->d, b->u оказались очень маленькими, из-за них и СР-нарушение мало.

46 Треугольник унитарности Треугольник унитарности на комплексной плоскости - удобная параметризация мнимости унитарной матрицы. При отсутствии СР-нарушения и действительной матрице, треугольник схлопывается в отрезок на действительной оси. Удивительно, что разные измерения хорошо согласуются друг с другом, и все СР- нарушающие эффекты можно описать вего одним параметром. Предсказание 1973 года оказалось поразительно общим и точным, за это Кобаяши и Москава получили Нобелевскую премию.

47 CLEO-c E787/949 Работающие или недавно закончившие работу NA48 ??? KEK / J-PARC Super-KEKB ??? Новые проекты ATLASATLAS I I II I I Начавшие работу или строящиеся BTEV Super-BABAR Планируемые (еще не одобренные) LOI-04/05 FNAL P940 KEK E391a В случае 2-х поколений, в матрице 2 х 2 не возникает СР-нарушения (слишком мало параметров). Поэтому исследование 3-го поколения кварков оказалось очень важным. KAMI NA48/3 ??? upgrade ??? Эксперименты по изучению матрицы CKM и СР-нарушения ATLASATLAS I I II I I Начавшие работу или строящиеся

48 SLD (& MARK II) B A B AR Fixed Target Experiments Linac The B Factories: PEP-2 (SLAC, USA) and KEK-B (KEK, Japan)

49 e + (3.1GeV) e – (9 GeV) EMC 6580 CsI(Tl) crystals Drift Chamber 40 stereo layers Instrumented Flux Return iron / RPCs (muon / neutral hadrons) Silicon Vertex Tracker 5 layers, double-sided strips DIRC (PID) 144 quartz bars PMTs 1.5 T solenoid The Asymmetric B Factory KEK-B Детектор B A B AR

50 Детектор BELLE

51 B-Flavor Tagging PEP-2 (SLAC) Примеры СР-нарушений в В-мезонах (с b-кварком) B A B AR

52 ATLAS CMS ATLAS и CMS рассчитаны на поиск новых тяжелых частиц. LHCb LHCb спроектирован для изучения частиц, содержащих b-кварк (более легких) Будущие эксперименты по СР-нарушению на LHC

53 LHCb detector

54 LHCb: первые результаты Асимметрия между распадами B (s) 0 и анти-B (s) 0 B 0 K + - анти- B 0 K - + анти- B 0 s K + - B 0 s K - + Сравнение предсказаний СР-нарушения в B s 0 - мезоне с экспериментом Поиск редкого распада B s 0 - +

55