Даже ограничивая обсуждение физикой , ученые не имеют однозначного определения того, что такое материя . В известной на данный момент физике элементарных частиц , обобщенной стандартной моделью элементарных частиц и взаимодействий, можно в абсолютном смысле различать частицы материи и частицы антиматерии . Это особенно легко сделать для тех частиц, которые несут электрический заряд , таких как электроны , протоны или кварки , тогда как различие более тонкое в случае нейтрино , фундаментальных элементарных частиц, которые не несут электрический заряд. В стандартной модели невозможно создать чистое количество частиц материи — или, точнее, невозможно изменить чистое число лептонов или кварков в какой-либо пертурбативной реакции между частицами. Это замечание согласуется со всеми существующими наблюдениями.
Однако подобные процессы не считаются невозможными и ожидаются и в других моделях элементарных частиц, расширяющих стандартную модель. Они необходимы в спекулятивных теориях, целью которых является объяснение космического избытка материи над антиматерией, таких как лептогенез и бариогенез . Они могли бы даже проявиться в лаборатории как распад протона или как образование электронов в ходе так называемого безнейтринного двойного бета-распада. Последний случай имеет место, если нейтрино являются майорановскими частицами , являясь одновременно материей и антивеществом, согласно определению, данному чуть выше. [1]
В более широком смысле слово «материя» можно использовать просто для обозначения фермионов . В этом смысле частицы материи и антиматерии (такие как электрон и позитрон ) идентифицируются заранее. Процесс, обратный аннигиляции частиц, можно назвать созданием материи ; точнее, мы рассматриваем здесь процесс, полученный при обращении времени процесса аннигиляции. Этот процесс также известен как рождение пар и может быть описан как преобразование легких частиц (т.е. фотонов) в одну или несколько массивных частиц . Наиболее распространенным и хорошо изученным случаем является тот, когда два фотона превращаются в пару электрон - позитрон .
Из-за законов сохранения импульса создание пары фермионов (частиц материи) из одного фотона не может произойти. Однако эти законы допускают создание материи в присутствии другой частицы (другого бозона или даже фермиона), которая может разделять импульс первичного фотона. Таким образом, материя может быть создана из двух фотонов.
Закон сохранения энергии устанавливает минимальную энергию фотонов , необходимую для создания пары фермионов: эта пороговая энергия должна быть больше, чем полная энергия покоя созданных фермионов. Для создания электрон-позитронной пары полная энергия фотонов в системе покоя должна быть не менее 2 m e c 2 = 2 × 0,511 МэВ =1,022 МэВ ( me — масса одного электрона, а c — скорость света в вакууме), значение энергии, соответствующее мягким фотонам гамма-излучения . Для создания гораздо более массивной пары, такой как протон и антипротон , необходимы фотоны с энергией более1,88 ГэВ (жесткие гамма-фотоны).
Первые опубликованные расчеты скорости образования пар e + –e − в фотонных столкновениях были выполнены Львом Ландау в 1934 году . [2] Было предсказано, что процесс образования пар e + –e − (в результате столкновений фотонов) ) доминирует при столкновении ультрарелятивистских заряженных частиц, поскольку эти фотоны излучаются узкими конусами вдоль направления движения исходной частицы, значительно увеличивая поток фотонов.
В коллайдерах частиц высоких энергий события создания материи привели к появлению большого разнообразия экзотических тяжелых частиц, высыпающихся из сталкивающихся фотонных струй (см. двухфотонную физику ). В настоящее время двухфотонная физика изучает создание различных фермионных пар как теоретически, так и экспериментально (с помощью ускорителей частиц , воздушных ливней , радиоактивных изотопов и т. д.).
В стандартной модели можно создать все фундаментальные частицы , включая кварки, лептоны и бозоны, используя фотоны с различной энергией выше некоторого минимального порога, либо напрямую (путем образования пар), либо путем распада промежуточной частицы (например, W - бозон, распадающийся с образованием электрона и электрона-антинейтрино). [ нужна цитата ]
Как было показано выше, чтобы произвести из фотонного газа обычную барионную материю , этот газ должен не только иметь очень большую плотность фотонов , но и быть очень горячим — энергия ( температура ) фотонов должна заведомо превышать энергию массы покоя данного пара частиц материи. Пороговая температура образования электронов составляет около 10 10 К , 10 13 К для протонов и нейтронов и т. д. Согласно теории Большого взрыва , в ранней Вселенной безмассовые фотоны и массивные фермионы свободно взаимопревращались. По мере того как фотонный газ расширялся и охлаждался, некоторые фермионы оставались (в чрезвычайно малых количествах ~10 -10 ), потому что фотоны низкой энергии больше не могли разбивать их на части. Эти оставшиеся фермионы стали бы материей, которую мы видим сегодня во Вселенной вокруг нас.