חומר מראה

בפיזיקה, חומר מראה, המכונה גם חומר צל, חומר אליס או בתרגום רשמי חלקיקי מראה, הוא מקביל היפותטי לחומר רגיל. הפיזיקה המודרנית עוסקת בשני סוגים בסיסיים של סימטריה מרחבית: שיקופית וסיבובית. החלקיקים היסודיים הידועים פועלים לפי הסימטריה הסיבובית, אך אינם פועלים לפי הסימטריה של השתקפות המראה. מבין ארבעת כוחות היסוד - הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש וכוח הכבידה - רק הכוח החלש שובר את הסימטריה. הפרת הסימטריה באמצעות הכוח החלש הוצגה לראשונה על ידי הפיזיקאים צונג-דאו לי וצ'ן-נינג יאנג בשנת 1956 כפתרון לפאזל קאון. הם הציעו מספר ניסויים כדי לבדוק אם הכוח החלש אינו משתנה תחת הסימטריה. ניסויים אלה בוצעו כחצי שנה לאחר מכן והם אישרו כי האינטראקציות של הכוח החלש בין החלקיקים הידועים מפרות את הסימטריה. עם זאת, ניתן לשחזר ו"לתקן" את הסימטריה כסימטריה בסיסית של הטבע אם החלקיקים מוגדרים כך שלכל חלקיק יש חלקיק מראה. התיאוריה תוארה לראשונה בשנת 1991, אם כי הרעיון המודרני התקבל מאוחר יותר. חלקיקי המראה מבצעים אינטראקציה בינם לבין עצמם באותו האופן של חלקיקים רגילים, למעט במקרים שבהם לחלקיקים רגילים יש אינטראקציות שמאליות, לחלקיקי המראה יש אינטראקציות ימניות (ומכאן הרעיון של השתקפות המראה). באופן זה מסתבר שהסימטריה של השתקפות במראה יכולה להתקיים כסימטריה מדויקת של הטבע, בתנאי שקיים חלקיק מראה לכל חלקיק רגיל. הזוגיות הזו יכולה גם להישבר באופן ספונטני בהתאם למנגנון היגס. חומר מראה, אם קיים, יצטרך להשתמש בכוח החלש כדי ל"תקשר" עם חומר רגיל. הסיבה לכך היא שהכוחות בין חלקיקי המראה מתווכים על ידי בוזוני מראה, למעט הגרביטון, אך אף אחד מהבוזונים המוכרים לא יכול להיות זהה לשותפי הראי שלהם. הדרך היחידה שבה חומר המראה יכול לתקשר עם חומר רגיל באמצעות כוחות שאינם כוח הכבידה הוא באמצעות מן "ערבוב" של בוזוני מראה עם בוזונים רגילים או באמצעות חילופי חלקיקים. אינטראקציות אלה יכולות להיות חלשות מאוד. לפיכך הוצעו חלקיקי מראה כמועמדים לחלקיקי החומר האפל ביקום, כגון מקבילים של חלקיקי ה-Wimp. תצפיות ומחקרים מסוימים אף הראו שחומר המראה יכול להתנהג יותר כ"מסת מראה", מסה בעלת תכונות מנוגדות למסה המוכרת. מאותם המחקרים עלו ההשערות שחלקיקי מראה יכולים לתפקד היטב כחלקיקים בעלי מסה שלילית. צפיפות חומר המראה יכלה להיות נמוכה מאוד במהלך תקופת האינפלציה הקוסמית, דבר האומר שלא היה ניתן להבחין בו ולהבדילו מחומר רגיל. הפיזיקאי שלדון גלאשו הראה שאם ישנם חלקיקים אנרגטיים אשר מבצעים אינטראקציה חזקה עם חלקיקים רגילים ועם חלקיקי מראה, הם יכולים לפלוט פוטונים ופוטוני מראה. לתהליך הזה יש השפעה רבה על מטענים חשמליים של חומר רגיל, וכנראה גם של חומר המראה, אם קיים. בשנים הקרובות מתוכנן ניסוי למדידת השפעה זו. אם חומר המראה אכן קיים בשפע גדול ביקום, ואם הוא מקיים אינטראקציה חלשה בלבד עם החומר הרגיל, אז ניתן היה לאתר זאת בניסויים לגילוי ישיר של חומר אפל. למעשה, מדובר באחד המועמדים המועטים לחומר אפל שיכולים להסביר את אותו החומר האפל המסתורי, תוך שהוא עדיין עולה בקנה אחד עם התוצאות האפסיות של ניסויים אחרים בנושא גילוי חומר אפל. חומר מראה יכול כנראה להתגלות גם בניסויים בשדה אלקטרומגנטי, ויש לכך השלכות על מדעי כדור הארץ ועל חקר האסטרופיזיקה. אם מסת חומר המראה הקיים ביקום גבוה מספיק, ניתן לגלות את השפעות הכבידה שלו. מכיוון שחומר המראה מקביל לחומר הרגיל, יש לצפות כי חלק מחומר המראה קיים בצורות שונות ומשונות של גלקסיות מראה, כוכבי מראה, כוכבי לכת מראה וכו'. ניתן לאתר עצמים אלו באמצעות ההשפעות הכבידתיות. אפשר גם לצפות כי בחלק מהעצמים יש חפצי מראה כבן לוויה שלהם. במקרים כאלה יהיה צריך לגלות ולזהות את אפקט דופלר בספקטרום הכוכב. ישנם רמזים מסוימים לכך שכבר נצפו תופעות כאלה בעבר, אך אינם יודעים זאת בוודאות. אנטי-חומר אנרגיה אפלה חומר אפל אינטראקציה כובדית של אנטי חומר סימטריית CPT Lee, T. D.; Yang, C. N. (1956). "Question of Parity Conservation in Weak Interactions". Physical Review. 104 (1): 254–258. Bibcode:1956PhRv..104..254L. doi:10.1103/PhysRev.104.254. Wu, C. S.; Ambler, E.; Hayward, R. W.; Hoppes, D. D.; Hudson, R. P. (1957). "Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay". Physical Review. 105 (4): 1413–1415. Bibcode:1957PhRv..105.1413W. doi:10.1103/PhysRev.105.1413free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link) Garwin, Richard L.; Lederman, Leon M.; Weinrich, Marcel (1957). "Observations of the Failure of Conservation of Parity and Charge Conjugation in Meson Decays: The Magnetic Moment of the Free Muon". Physical Review. 105 (4): 1415–1417. Bibcode:1957PhRv..105.1415G. doi:10.1103/PhysRev.105.1415free{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: postscript (link) Friedman, Jerome I.; Telegdi, V. L. (1957). "Nuclear Emulsion Evidence for Parity Nonconservation in the Decay Chain π+→μ+→e+". Physical Review. 106 (6): 1290–1293. Bibcode:1957PhRv..106.1290F. doi:10.1103/PhysRev.106.1290. Foot, R.; Lew, H.; Volkas, R.R. (1991). "A model with fundamental improper spacetime symmetries". Physics Letters B. 272 (1–2): 67–70. Bibcode:1991PhLB..272...67F. doi:10.1016/0370-2693(91)91013-L. Kobzarev, I.; Okun, L.; Pomeranchuk, I. (1966). "On the possibility of observing mirror particles". Soviet Journal of Nuclear Physics. 3: 837. Pavšič, Matej (1974). "External inversion, internal inversion, and reflection invariance". International Journal of Theoretical Physics. 9 (4): 229–244. arXiv:hep-ph/0105344. Bibcode:1974IJTP....9..229P. doi:10.1007/BF01810695. Berezhiani, Zurab G.; Mohapatra, Rabindra N. (1995). "Reconciling present neutrino puzzles: Sterile neutrinos as mirror neutrinos". Physical Review D. 52 (11): 6607–6611. arXiv:hep-ph/9505385. Bibcode:1995PhRvD..52.6607B. doi:10.1103/PhysRevD.52.6607. PMID 10019200. Foot, Robert; Lew, Henry; Volkas, Raymond Robert (2000). "Unbroken versus broken mirror world: A tale of two vacua". Journal of High Energy Physics. 2000 (7): 032. arXiv:hep-ph/0006027. Bibcode:2000JHEP...07..032F. doi:10.1088/1126-6708/2000/07/032. "H2g2 - Mirror Matter: The Invisible Universe". Blinnikov, S. I.; Khlopov, M. Yu. (1982). "On possible effects of 'mirror' particles". Soviet Journal of Nuclear Physics. 36: 472. Blinnikov, S. I.; Khlopov, M. Yu. (1983). "Possible astronomical effects of mirror particles". Sov. Astron. 27: 371–375. Bibcode:1983SvA....27..371B. Kolb E. W., Seckel M., Turner M. S. (1985). "The shadow world of superstring theories". Nature. 314 (6010): 415–419. Bibcode:1985Natur.314..415K. doi:10.1038/314415a0.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Khlopov, M. Yu.; Beskin, G. M.; Bochkarev, N. E.; Pushtilnik, L. A.; Pushtilnik, S. A. (1991). "Observational physics of mirror world" (PDF). Astron. Zh. Akad. Nauk SSSR. 68: 42–57. אורכב מ-המקור (PDF) ב-2011-06-05. Hodges H. M. (1993). "Mirror baryons as the dark matter". Physical Review D. 47 (2): 456–459. Bibcode:1993PhRvD..47..456H. doi:10.1103/PhysRevD.47.456. PMID 10015599. Glashow, S.L. (1986). "Positronium versus the mirror universe". Physics Letters B. 167 (1): 35–36. Bibcode:1986PhLB..167...35G. doi:10.1016/0370-2693(86)90540-X. Gninenko, S. N. (2004). "An Apparatus to Search for Mirror Dark Matter". International Journal of Modern Physics A. 19 (23): 3833–3847. arXiv:hep-ex/0311031. Bibcode:2004IJMPA..19.3833G. doi:10.1142/S0217751X04020105. Foot, R. (2004). "Implications of the DAMA and CRESST experiments for mirror matter-type dark matter". Physical Review D. 69 (3): 036001. arXiv:hep-ph/0308254. Bibcode:2004PhRvD..69c6001F. doi:10.1103/PhysRevD.69.036001. Foot, R. (2004). "Reconciling the Positive Dama Annual Modulation Signal with the Negative Results of the CDSM II Experiment". Modern Physics Letters A. 19 (24): 1841–1846. arXiv:astro-ph/0405362. Bibcode:2004MPLA...19.1841F. doi:10.1142/S0217732304015051. Mitra, Saibal (2006). "Detecting dark matter in electromagnetic field penetration experiments". Physical Review D. 74 (4): 043532. arXiv:astro-ph/0605369. Bibcode:2006PhRvD..74d3532M. doi:10.1103/PhysRevD.74.043532. Foot, R.; Mitra, S. (2003). "Mirror matter in the solar system: New evidence for mirror matter from Eros". Astroparticle Physics. 19 (6): 739–753. arXiv:astro-ph/0211067. Bibcode:2003APh....19..739F. doi:10.1016/S0927-6505(03)00119-1. Pavsic, Matej; Silagadze, Z. K. (2001). "Do mirror planets exist in our solar system?". Acta Physica Polonica B. 32 (7): 2271. arXiv:astro-ph/0104251. Bibcode:2001AcPPB..32.2271F. De Angelis, Alessandro; Pain, Reynald (2002). "Improved Limits on Photon Velocity Oscillations". Modern Physics Letters A. 17 (38): 2491–2496. arXiv:astro-ph/0205059. Bibcode:2002MPLA...17.2491D. doi:10.1142/S021773230200926X. Mohapatra, R. N.; Teplitz, Vigdor L. (1999). "Mirror matter MACHOs". Physics Letters B. 462 (3–4): 302–309. arXiv:astro-ph/9902085. Bibcode:1999PhLB..462..302M. doi:10.1016/S0370-2693(99)00789-3. Foot, R. (1999). "Have mirror stars been observed?". Physics Letters B. 452 (1–2): 83–86. arXiv:astro-ph/9902065. Bibcode:1999PhLB..452...83F. doi:10.1016/S0370-2693(99)00230-0.