Materia/Antimateria

[Sheriffen]

Jag håller just på och läser Nigel Calders essaysamling "Magic Universe - A Grand Tour of Modern Science". Där finns en essay om antimateria. Nigel Calder skriver så här:

"If a particle meets its antiparticle they annihilate each other and disappear in a puff of gamma rays. This happens night and day, above our heads, as cosmic rays from our Galaxy create positrons, and electrons in the atmosphere sacrifice themselves to eliminate them. Yet the count of electrons does not change. Whenever a cosmic ray makes a positron it also makes a new electron, which rushes off in a different direction, slows down, and so joins the atoms of the air, replacing the electron lost by annihilation."

Frågor:

1) Exakt hur "skapar" kosmisk strålning positroner och elektroner?

2) Såvitt jag vet finns kosmisk strålning även i våglängden gamma. Varför "skapar" i så fall inte gammastrålarna som blir resultatet av att positronen och elektronen förgör varandra nya positroner och elektroner? Eller gör de det? Och kolliderar i så fall dessa nya positroner med elektroner och ger upphov till nya gammastrålar som ger upphov till nya positroner och elektroner, och så vidare...?

Mycket tacksam för svar!

Kör hårt,
Sheriffen

[åka]

1) Kosmisk strålning består av partiklar från rymden, mest protoner, ofta med hög rörelseenergi. Att skapa elektron-positronpar går i två steg: först kolliderar partikeln med en atomkärna i atmosfären och bildar en skur av nya partiklar (från resterna av atomkärnan samt den ursprungliga rörelseenergin och frigjord bindningsenergi). En del av dessa kan sönderfalla eller annihilera (utplånas genom att möta sin antipartikel) så att de ger ifrån sig gammafotoner -- ljuspartiklar med väldigt hög energi. Gammastrålning växelverkar med materia på olika sätt, men bland annat kan en gammafoton som passerar i det elektromagnetiska fältet nära en atomkärna ge upphov till en elektron och en positron. Gammafotonens energi blir massa och rörelseenergi hos de nya partiklarna. Är det ett tillräckligt svar? Eller blev det kanske för pratigt?

För att förvirra det hela kan förstås både elektroner och positroner bildas var för sig i partikelsönderfall från den första partikelskuren.

2) Gammastrålning räknas inte till det vi brukar kalla kosmisk strålning, men visst finns det gammastrålning från rymden. Men visst är det i princip så att de nya gammastrålar som blir resultatet av att en positron möter en elektron kan ge upphov till ett nytt par -- tillsammas med andra reaktioner blir resultatet blir vad vi kallar en elektromagnetisk skur av elektroner och gammafotoner. Fast det kan inte pågå i evighet förstås, och händer faktiskt bara under tursamma omständigheter. Både elektroner och positroner bromsas kraftigt i materia, så när positronen möter en atomär elektron kan man ofta i princip betrakta båda som stillastående. Då finns det inte mer energi än massan hos partiklarna och de två gammafotoner som bildas har precis så mycket energi som motsvarar en elektrons massa -- det räcker inte till att bilda ett nytt par. De nya fotonerna absorberas i stället genom att de skuffas med elektronerna i omgivande materia, kanske ger dem tillräckligt med energi för att lösgöras från atomer (jonisering).

Har jag missat något? Hmm. Fråga igen.

[Skäggmonstret]

Jag slänger in en ny fråga, nu när experten i ämnet ändå är aktiverad:

Varför uppstod aningen mer materia än antimateria där strax efter begynnelsen? (Om det nu fortfarande är så man tänker sig det hela. Öh, förutsatt att jag har förstått det hela rätt.)

[Sheriffen]

Tack till Åka för utförligt svar, och här kommer mera...

Jag anknyter till Skäggmonstrets fråga kring Andrej Sakharovs teori om det "skeva" universum - där det upptstått en minimal mängd mer materia än antimateria - som förklaring till att något alls finns.

Calder säger att Sakharov gjorde bruk av på den tiden moderna upptäckter om partiklar för att förklara hur så kunde vara fallet. Dessa moderna upptäckter redogör Calder sedan för, i syfte att ge bakgrund till Sakharovs lösning.

Så här: i slutet av 50-talet hade fysikerna uppenbarligen problem med ett slags partiklar som kallas kaoner. När de förföll (halverades? - på engelska "decayed") och bröts upp i smärre partiklar, skedde det på motsägelsefulla sätt. Man misstänkte den svaga kraften ("the weak force") och experiment gav vid handen att radioaktiva atomkärnor som "decayed" i starka, magnetiska fält så gott som enbart gav ifrån sig positroner åt ett enda håll, trots att vilket håll som helst borde varit lika sannolikt. Naturen var inte både "höger- och vänsterhänt", utan bara endera. Det vill säga "parity conservation" (bevarande av jämvikt?) fungerade inte.

Detta tolkades av någon anledning i sken av neutrinos, som alla roterar till vänster om den axel längs vilken de färdas. Finns inga som roterar till höger.

Fråga:

1) Är min sammanfattning begriplig och kan du i så fall förklara vad det är frågan om här?

Sedan kommer Calder till Lev Landaus "CP invariance". Han förklarar vad den går ut på så här: "The violation of parity seemed to be equal and opposite in matter and antimatter. So if a particle changed into an antiparticle whenever parity violation raised its ugly head, everything would stay quite pretty."

Fråga:

2) Vad betyder förklaringen av "CP invariance" - och vad betyder "CP invariance"?

3) Varför är det så viktigt att allt ska vara i "jämvikt"? Varför måste det för varje "höger" finnas ett "vänster" och tvärtom? Vad är det för problem med ett "skevt" universum?

Calder, som skriver för lekmannen, är i det närmaste obegriplig i den här essayen. Han verkar förutsätta alldeles för mycket kunskap hos oss som inte är fysiker.

Därför är jag återigen mycket tacksam för svar!

Kör hårt,
Sheriffen

[åka]

1) Sammanfattningen är väl snudd på begriplig i alla fall ;) Det behövs uppenbarligen mer förklaring... Jag försöker skissa lite spontant och se om det blir begripligt -- allt kanske jag inte har färskt i minnet heller. (Rätta mig gärna, så blir det lite lektion för mig också!)

Bakgrund som kan vara värd att känna till är att fysikens lagar byggs upp på symmetrier, och att de här symmetrierna förväntas gälla åtminstone under extrema förhållanden (hög energi och så) men bryts spontant och ger då upphov till de komplexa förhållanden vi ser -- som att de olika fundamentala krafterna är så väldigt olika starka. Vissa symmetrier förväntas gälla hela tiden, till exempel är det ett väldigt grundläggande antagande att fysikens lagar är oförändrade om man flyttar sig i rummet eller vänder sig om (man säger på fikonspråk att fysiken är invariant under translation och rotation) -- faktum är att man direkt kan härleda lagen om rörelsemängdens bevarande från detta.

Paritet (parity) är en symmetri som man förenklat brukar beskriva som att man speglar allting, men i själva verket menas det att man byter tecken på alla rikningar -- framåt blir bakåt, höger blir vänster, uppåt blir nedåt (och tvärtom). Frågan som ligger bakom det resonemang som Calder skrev om är alltså ifall pariteten alltid är bevarad, det vill säga ifall alla partikelreaktioner är likadana även om man byter tecken på alla riktningar.

Det här blir långt. Återkommer senare.

[åka]

2) P betecknar paritet. C är symbolen för elektrisk laddning. Elektrisk laddning är motsatt för partikel och antipartikel. Om CP är invariant har vi alltså identiska reaktioner (med samma sannolikhet -- samma "reaktionstvärsnitt", man mäter reaktionssannolikheter i area) om både C och P ändras samtidigt, men inte nödvändigtvis om vi ändrar bara den ena.

Liten not om neutriner förresten: det var inte helt klart (jag är inte säker på om det är utrett ännu heller) ifall det är neutrinerna i sig som är vänsterhänta eller om det är den svaga kraften som är det -- alla neutriner vi sett har ju producerats i svaga reaktioner, och en högerhänt neutrino skulle inte kunna koppla till en vänsterhänt kraft och alltså inte kunna observeras så.

[åka]

3) Som jag skrev tidigare är det här med symmetrier väldigt viktigt i fysiken. Det fanns helt enkelt ingen anledning att anta något annat än att höger och vänster är likvärdiga, och därför såg det väldigt märkligt ut när man upptäckte att det inte alltid gällde.

Vi känner heller inte till någon mekanism som kan producera partiklar utan att det blir lika många antipartiklar. Notera att en sån här "skevhet" inte får vara för påträngande, för då skulle vi inte kunna ha den fysik vi har. Det är därför assymetrin mellan materia och antimateria i vårt universum är en gåta.

Ursäkta det upphackade svaret, men jag kände mig nödd att göra lite vettigt jobb emellan så att jag inte sitter för länge i sträck med något ovidkommande som detta och helt tappar tråden i det jag egentligen borde göra.

[Skäggmonstret]

Irriterande med gåtor. Jag vill veta allt. Du får lista ut hur det ligger till med den där skevheten och informera oss, Åka.

[Sheriffen]

Irriterande med gåtor. Jag vill veta allt. Du får lista ut hur det ligger till med den där skevheten och informera oss, Åka.

Och jag vill tacka för de här föredömliga förklaringarna och samtidigt uttrycka min förvåning över att Nigel Calder, som är en så känd populärvetenskaplig författare, inte förmådde redogöra för dessa omständigheter tillnärmelsevis så tydligt. Jag arbetar vidare med hans essay och lär återkomma med ytterligare frågor, dock...

Kör hårt,
Sheriffen

[åka]

Och jag vill tacka för de här föredömliga förklaringarna och samtidigt uttrycka min förvåning över att Nigel Calder, som är en så känd populärvetenskaplig författare, inte förmådde redogöra för dessa omständigheter tillnärmelsevis så tydligt. Jag arbetar vidare med hans essay och lär återkomma med ytterligare frågor, dock...

Tackar för smickret. Fast är han så känd den här Calder? Jag tror inte jag känner till honom. Hur gammal är förresten texten du läser?

[Johan]

Magic Universe torde vara från 2003.

[Sheriffen]

Fast är han så känd den här Calder? Jag tror inte jag känner till honom. Hur gammal är förresten texten du läser?

Jag uppfattar Calder som känd, bland annat för att hans populärvetenskapliga "Einstein's Universe" har tryckts om gång på gång och dessutom kommit i utvidgad upplaga och har distinktionen av att vara den möjligen enda, heltäckande populärvetenskapliga redogörelsen för Einsteins relativitetsteorier som inte innehåller en enda matematisk formel (med andra ord en lisa för oss matematikanalfabeter). Dessutom har han skrivit manus till flera populärvetenskapliga BBC-dokumentärer. Och han har fått UNESCOs Kalingapris för insatser som populärvetenskaplig författare. Fast med det sagt - han kanske inte är någon av de främsta populärvetenskapliga författarna i alla fall. Det var mer en känsla jag hade, fast den grundar sig nog mest på att jag råkar ha känt till honom så pass länge - vilket i sig var rätt slumpartat, dock. Jag hittade och köpte av en ren händelse hans Einstein-bok på Akademibokhandeln för många herrans år sedan.

"Magic Universe" kom, som Johan påpekat, mycket riktigt 2003.

Återkommer!

Kör hårt,
Sheriffen