От элементарных частиц к галактикам: как создается материя.

Введение

Как создать материю от фундаментальных частиц до галактик

Даже ограничивая обсуждение физикой, ученые не имеют единого определения того, что такое материя. В современной физике элементарных частиц, обобщенной в Стандартной модели элементарных частиц и взаимодействий, можно в абсолютном смысле различать частицы материи и частицы антиматерии. Это особенно легко для частиц, несущих электрический заряд, таких как электроны, протоны или кварки, в то время как различие более тонкое в случае нейтрино – фундаментальных элементарных частиц, не несущих электрического заряда. В рамках Стандартной модели невозможно создать ненулевое количество частиц материи – или, точнее, невозможно изменить чистое число лептонов или кварков в любой возмущающей реакции между частицами. Это замечание согласуется со всеми существующими наблюдениями. Однако подобные процессы не считаются невозможными и ожидаются в других моделях элементарных частиц, расширяющих Стандартную модель. Они необходимы в спекулятивных теориях, стремящихся объяснить космический избыток материи над антиматерией, таких как лептогенез и бариогенез. Они могут даже проявляться в лаборатории в виде распада протонов или в виде рождения электронов в так называемом бета-распад без нейтрино. Последний случай возникает, если нейтрино являются частицами Майораны, одновременно являющимися материей и антиматерией, согласно определению, данному выше. В более широком смысле слово "материя" можно использовать просто для обозначения фермионов. В этом смысле частицы материи и антиматерии (например, электрон и позитрон) определяются априори. Процесс, обратный аннигиляции частиц, можно назвать созданием материи; точнее, мы рассматриваем процесс, полученный при обращении времени процесса аннигиляции. Этот процесс также известен как создание пар и может быть описан как преобразование легких частиц (то есть фотонов) в одну или несколько массивных частиц. Наиболее распространенным и хорошо изученным случаем является превращение двух фотонов в электронно-позитронную пару.

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.

Производство фотоновой пары

Из-за законов сохранения импульса создание пары фермионов (частиц материи) из одного фотона невозможно. Однако эти законы допускают создание материи в присутствии другой частицы (другого бозона или даже фермиона), способной разделить импульс первичного фотона. Таким образом, материя может быть создана из двух фотонов. Закон сохранения энергии устанавливает минимальную энергию фотона, необходимую для создания пары фермионов: эта пороговая энергия должна превышать полную энергию покоя создаваемых фермионов. Для создания электрон-позитронной пары общая энергия фотонов в системе отсчета, где центр масс покоится, должна быть не менее 2mec² = 2 × 0,511 = 1,022 (me – масса одного электрона, а c – скорость света в вакууме), что соответствует энергии мягких гамма-квантов. Для создания гораздо более массивной пары, такой как протон и антипротон, требуются фотоны с энергией более 1,88 (жесткие гамма-кванты). Первые опубликованные расчёты скорости образования пары e⁺–e⁻ при столкновениях фотонов были выполнены Львом Ландау в 1934 году. Было предсказано, что процесс создания пары e⁺–e⁻ (в результате столкновений фотонов) доминирует в столкновениях ультрарелятивистских заряженных частиц, поскольку эти фотоны излучаются в узких конусах вдоль направления движения исходной частицы, что значительно увеличивает фотонный поток. В высокоэнергетических коллайдерах частиц события создания материи привели к появлению широкого спектра экзотических тяжёлых частиц, образующихся из сталкивающихся фотонных струй (см. физику двух фотонов). В настоящее время исследования в области физики двух фотонов посвящены изучению создания различных пар фермионов как теоретически, так и экспериментально (с использованием ускорителей частиц, воздушных ливней, радиоактивных изотопов и т.д.). В рамках Стандартной модели можно создать все фундаментальные частицы, включая кварки, лептоны и бозоны, используя фотоны различной энергии, превышающей некоторый минимальный порог, либо непосредственно (путем рождения пар), либо в результате распада промежуточной частицы (например, W⁻-бозон распадается на электрон и электронное антинейтрино). Как показано выше, для получения обычной барионной материи из фотонного газа, этот газ должен обладать не только очень высокой плотностью фотонов, но и быть очень горячим – энергия (температура) фотонов должна, очевидно, превышать энергию массы покоя данной пары частиц материи. Пороговая температура для образования электронов составляет около 10¹⁰ К, 10¹³ К для протонов и нейтронов и т.д. Согласно теории Большого взрыва, в ранней Вселенной безмассовые фотоны и массивные фермионы могли свободно превращаться друг в друга. По мере расширения и охлаждения фотонного газа часть фермионов осталась (в крайне малых количествах ~10⁻¹⁰), поскольку фотоны с низкой энергией больше не могли их расщепить. Эти оставшиеся фермионы и стали той материей, которую мы видим сегодня во Вселенной вокруг нас.

Because of momentum conservation laws, the creation of a pair of fermions (matter particles) out of a single photon cannot occur. However, matter creation is allowed by these laws when in the presence of another particle (another boson, or even a fermion) which can share the primary photon's momentum. Thus, matter can be created out of two photons. The law of conservation of energy sets a minimum photon energy required for the creation of a pair of fermions: this threshold energy must be greater than the total rest energy of the fermions created. To create an electron positron pair, the total energy of the photons, in the rest frame, must be at least 2mec2 = 2 × 0.511 = 1.022 (me is the mass of one electron and c is the speed of light in vacuum), an energy value that corresponds to soft gamma ray photons. The creation of a much more massive pair, like a proton and antiproton, requires photons with energy of more than 1.88 (hard gamma ray photons). The first published calculations of the rate of e+–e− pair production in photon photon collisions were done by Lev Landau in 1934. It was predicted that the process of e+–e− pair creation (via collisions of photons) dominates in collision of ultra relativistic charged particles—because those photons are radiated in narrow cones along the direction of motion of the original particle, greatly increasing photon flux. In high energy particle colliders, matter creation events have yielded a wide variety of exotic heavy particles precipitating out of colliding photon jets (see two photon physics). Currently, two photon physics studies creation of various fermion pairs both theoretically and experimentally (using particle accelerators, air showers, radioactive isotopes, etc.). It is possible to create all fundamental particles in the standard model, including quarks, leptons and bosons using photons of varying energies above some minimum threshold, whether directly (by pair production), or by decay of the intermediate particle (such as a W− boson decaying to form an electron and an electron antineutrino). As shown above, to produce ordinary baryonic matter out of a photon gas, this gas must not only have a very high photon density, but also be very hot – the energy (temperature) of photons must obviously exceed the rest mass energy of the given matter particle pair. The threshold temperature for production of electrons is about 1010 K, 1013 K for protons and neutrons, etc. According to the Big Bang theory, in the early universe, mass less photons and massive fermions would inter convert freely. As the photon gas expanded and cooled, some fermions would be left over (in extremely small amounts ~10−10) because low energy photons could no longer break them apart. Those left over fermions would have become the matter we see today in the universe around us.