Кіріспе
Материяны қалай құруға болады? Негізгі бөлшектерден галактикаларға дейін. Тек физикамен шектеліп қарасақ, ғалымдар материяның не екеніне бір анықтама бере алмайды. Қазіргі кездегі бөлшектер физикасында, элементар бөлшектер мен өзара әрекеттесулердің стандартты моделімен қорытындыланғанда, материя бөлшектерін және антиматерия бөлшектерін абсолютті түрде ажыратуға болады. Бұл, әсіресе, электрондар, протондар немесе кварктар сияқты электр заряды бар бөлшектер үшін оңай, ал нейтринолар – электр заряды жоқ негізгі элементар бөлшектер үшін айырмашылықтар көбірек байқалады. Стандартты модельде материя бөлшектерінің жалпы санын жасау мүмкін емес, немесе дәлірек айтқанда, бөлшектер арасындағы кез келген бұзылғыш реакцияда лептондардың немесе кварктардың жалпы санын өзгерту мүмкін емес. Бұл тұжырым барлық қолданыстағы байқаулармен сәйкес келеді. Дегенмен, ұқсас процестер мүмкін емес деп есептелмейді және стандартты модельді кеңейтетін элементар бөлшектердің басқа модельдерінде күтіледі. Олар материяның антиматериядан артық болуын түсіндіруге бағытталған, мысалы, лептогенез және бариогенез сияқты теориялық тұжырымдарда қажет. Бұл процестер зертханада протонның ыдырауы немесе «нейтриносыз қос бета ыдырауы» деп аталатын электронның пайда болуы түрінде көрініс табуы мүмкін. Соңғы жағдай, егер нейтринолар Майорана бөлшектері болса, онда олар жоғарыда берілген анықтамаға сәйкес, материя да, антиматерия да болып табылады. Көп мағынада, материя сөзін фермиондарды атау үшін қолдануға болады. Осы мағынада материя мен антиматерия бөлшектері (мысалы, электрон мен позитрон) алдын ала анықталады. Бөлшектердің жойылуына кері процесс – материяның құрылуы деп аталады; дәлірек айтқанда, біз жойылу процесінің уақыт бойынша кері жүруінен туындаған процесті қарастырамыз. Бұл процесс «жұп өндірісі» деп те аталады және оны жеңіл бөлшектердің (яғни фотондардың) бір немесе бірнеше ауыр бөлшектерге айналуы ретінде сипаттауға болады. Ең көп таралған және жақсы зерттелген жағдай – екі фотонның электрон-позитрон жұбына айналуы.
Even restricting the discussion to physics, scientists do not have a unique definition of what matter is. In the currently known particle physics, summarised by the standard model of elementary particles and interactions, it is possible to distinguish in an absolute sense particles of matter and particles of antimatter. This is particularly easy for those particles that carry electric charge, such as electrons, protons or quarks, while the distinction is more subtle in the case of neutrinos, fundamental elementary particles that do not carry electric charge. In the standard model, it is not possible to create a net amount of matter particles—or more precisely, it is not possible to change the net number of leptons or of quarks in any perturbative reaction among particles. This remark is consistent with all existing observations. However, similar processes are not considered to be impossible and are expected in other models of the elementary particles, that extend the standard model. They are necessary in speculative theories that aim to explain the cosmic excess of matter over antimatter, such as leptogenesis and baryogenesis. They could even manifest themselves in laboratory as proton decay or as creations of electrons in the so called neutrinoless double beta decay. The latter case occurs if the neutrinos are Majorana particles, being at the same time matter and antimatter, according to the definition given just above. In a wider sense, one can use the word matter simply to refer to fermions. In this sense, matter and antimatter particles (such as an electron and a positron) are identified beforehand. The process inverse to particle annihilation can be called matter creation; more precisely, we are considering here the process obtained under time reversal of the annihilation process. This process is also known as pair production, and can be described as the conversion of light particles (i. e., photons) into one or more massive particles The most common and well studied case is the one where two photons convert into an electron–positron pair.
Фотондар жұптарын өндіру
Импульсті сақтау заңдарына сәйкес, бір фотоннан екі фермионның (материя бөлшектерінің) пайда болуы мүмкін емес. Дегенмен, материяның пайда болуына осы заңдар рұқсат етеді, егер басқа бөлшектің (басқа бозонның, тіпті фермионның) болуымен, ол бастапқы фотонның импульсін бөлісе алады. Осылайша, материя екі фотоннан құралуы мүмкін. Энергияның сақталу заңы фермион жұбының пайда болуына қажетті фотонның ең төменгі энергиясын анықтайды: бұл шекті энергия құрылған фермиондардың жалпы тыныштық энергиясынан артық болуы керек. Электрон-позитрон жұбын құру үшін фотондардың жалпы энергиясы, тыныштық күйінде, кем дегенде 2mec² = 2 × 0,511 = 1,022 (me – бір электронның массасы, c – вакуумдағы жарық жылдамдығы) болуы керек, бұл энергия мәні жұмсақ гамма-сәулелік фотондарға сәйкес келеді. Протон мен антипротон сияқты әлдеқайда ауыр жұптарды құру үшін 1,88-ден жоғары энергиясы бар фотондар қажет (қатты гамма-сәулелік фотондар). Лев Ландау 1934 жылы фотондар арасындағы соқтығысу кезінде e⁺–e⁻ жұптардың пайда болу жиілігін алғаш рет есептеп шығарды. Бұл процесс, фотондардың соқтығысуы арқылы e⁺–e⁻ жұптардың құрылуы, ультрарелятивистік зарядталған бөлшектердің соқтығысуында басым болады деп болжанды, себебі бұл фотондар бастапқы бөлшектің қозғалыс бағыты бойынша тар конус түрінде сәулеленеді, бұл фотон ағынын күрт арттырады. Жоғары энергиялы бөлшектердің шағылыстырғыштарында материяның пайда болу оқиғалары соқтығысқан фотон ағынынан пайда болатын әр түрлі экзотикалық ауыр бөлшектерді тудырды (екі фотонды физиканы қараңыз). Қазіргі уақытта екі фотонды физика әр түрлі фермион жұптарының пайда болуын теориялық және тәжірибелік тұрғыдан зерттейді (бөлшектерді үдеткіштері, ауадағы душ құбылысы, радиоактивті изотоптар және т.б. қолдану арқылы). Стандартты модельдегі барлық фундаменталды бөлшектерді, соның ішінде кварктарды, лептондарды және бозондарды, белгілі бір ең төменгі шектен жоғары әр түрлі энергиялы фотондарды пайдаланып, тікелей (жұптарды құру арқылы) немесе аралық бөлшектің ыдырауы арқылы (мысалы, W⁻ бозонының электрон мен электронға қарсы нейтриноны құру үшін ыдырауы) құруға болады. Жоғарыда көрсетілгендей, фотон газынан қарапайым бариондық материяны өндіру үшін бұл газдың өте жоғары фотондық тығыздығы болуы ғана емес, сонымен қатар өте ыстық болуы керек – фотонның энергиясы (температурасы) берілген материя бөлшегі жұбының тыныштық массалық энергиясынан асып түсуі керек. Электронды өндірудің шекті температурасы шамамен 10¹⁰ К, протон мен нейтрон үшін 10¹³ К және т.б. Ұлы жарылыс теориясына сәйкес, ерте ғаламда массасыз фотондар мен ауыр фермиондар еркін түрлене алатын. Фотон газы кеңейіп, суығанда, кейбір фермиондар қалды (өте аз мөлшерде ~10⁻¹⁰), себебі төмен энергиялы фотондар оларды бөлшектеуге жеткіліксіз болды. Осы қалған фермиондар бүгінде біз көріп отырған материяға айналды.