Când privim Universul, la toate planetele și stelele sale, galaxii și ciorchini, gaz, praf, plasmă, vedem aceleași semnături peste tot. Vedem linii de absorbție și emisie atomică, vedem că materia interacționează cu alte forme de materie, vedem formarea stelelor și moartea stelelor, coliziunile, razele X și multe altele. Există o întrebare evidentă care necesită explicații: de ce vedem toate acestea? Dacă legile fizicii dictează simetrie între materie și antimaterie, universul pe care îl observăm nu ar trebui să existe.
Dar suntem aici și nimeni nu știe de ce.
De ce nu există antimaterie în Univers?
Gândiți-vă la aceste două fapte aparent contradictorii:
- de fiecare dată când creăm un quark sau un lepton, creăm și un antiquark și antilepton;
- de fiecare dată când un quark sau lepton este distrus, un antiquark sau antilepton este, de asemenea, distrus;
- Leptonele și antileptonele create sau distruse trebuie să fie în echilibru întreaga familie de vară și de fiecare dată când un quark sau lepton interacționează, se ciocnesc sau se degradează, numărul total de quark și leptoni la sfârșitul reacției (quark minus antiquarks, leptons minus antileptons) ar trebui și va fi la fel ca la început.
Singura modalitate de a schimba cantitatea de materie din univers a fost și de a modifica cantitatea de antimaterie cu aceeași cantitate.
Și totuși, există un al doilea fapt.
Dar nu vedem semne de distrugere a materiei de către antimaterie pe cea mai mare scară. Nu vedem niciun semn că unele dintre stele, galaxii sau planete pe care le observăm sunt făcute din antimaterie. Nu vedem caracteristicile razelor gamma pe care s-ar aștepta să le vedem dacă antimateria s-a ciocnit cu materia și s-a anihilat. În schimb, vedem doar materie oriunde ne uităm.
Video promotional:
Și pare imposibil. Pe de o parte, nu există nici o modalitate cunoscută de a face mai multă materie decât antimateria, analizând particulele și interacțiunile lor în univers. Pe de altă parte, tot ceea ce vedem este făcut cu siguranță din materie, nu din antimaterie.
De fapt, am observat anihilarea materiei și antimateriei în anumite condiții astrofizice extreme, dar numai în apropierea surselor hiperenergetice care produc materie și antimaterie în cantități egale - găuri negre, de exemplu. Când antimateria se ciocnește cu materia din univers, ea produce raze gamma cu frecvențe foarte specifice, pe care le putem detecta apoi. Mediul intergalactic interstelar este plin de material, iar absența completă a acestor raze gamma este un semnal puternic că nu vor fi niciodată mai multe particule de antimaterie, deoarece semnătura materiei antimaterice ar fi descoperită.
Dacă aruncați o particulă de antimaterie în galaxia noastră, aceasta va dura aproximativ 300 de ani înainte de a fi distrusă de o particulă de materie. Această limitare ne spune că cantitatea de antimaterie din Calea Lactee nu poate depăși 1 particulă per cvadrilion (1015), raportat la cantitatea totală de materie.
La scară largă - scara galaxiilor satelite, galaxiile mari de dimensiunea Calea Lactee și chiar grupuri de galaxii - constrângerile sunt mai puțin stricte, dar încă foarte puternice. Observând distanțe cuprinse între câteva milioane de ani-lumină și trei miliarde de ani-lumină, am observat o deficiență de raze X și raze gamma care ar putea indica anihilarea materiei și a antimateriei. Chiar și pe o scară cosmologică mare, 99,999% din ceea ce există în universul nostru va fi cu siguranță reprezentat de materie (așa cum suntem) și nu de antimaterie.
Cum am ajuns într-o astfel de situație încât Universul este format dintr-o cantitate mare de materie și practic nu conține antimaterie, dacă legile naturii sunt absolut simetrice între materie și antimaterie? Ei bine, există două opțiuni: fie Universul s-a născut cu mai multă materie decât antimaterie, sau ceva s-a întâmplat la o etapă timpurie, când Universul era foarte cald și dens și a dat naștere unei asimetrii de materie și antimaterie, care inițial nu existau.
Prima idee nu poate fi testată științific fără a recrea întregul Univers, dar a doua este foarte convingătoare. Dacă Universul nostru a creat cumva o asimetrie de materie și antimaterie acolo unde nu a fost inițial, regulile care au funcționat atunci vor rămâne neschimbate astăzi. Dacă suntem suficient de deștepți, putem dezvolta teste experimentale care dezvăluie originea materiei în universul nostru.
La sfârșitul anilor '60, fizicianul Andrei Sakharov a identificat trei condiții necesare pentru barogeneză sau crearea mai multor baroni (protoni și neutroni) decât antibiotoni. Aici sunt ei:
- Universul trebuie să fie un sistem fără echilibru.
- Trebuie să aibă o încălcare C și CP.
- Trebuie să existe interacțiuni care încalcă numărul barionului.
Primul este ușor de observat, deoarece un Univers în expansiune și răcire cu particule instabile în el (și antiparticule), prin definiție, va fi în afara echilibrului. Al doilea este, de asemenea, simplu, deoarece simetria C (înlocuirea particulelor cu antiparticule) și simetria CP (înlocuirea particulelor cu antiparticule reflectate specular) se rup în multe interacțiuni slabe care implică quarkuri ciudate, fermecate și frumoase.
Întrebarea rămâne cum să rupem numărul baryon. Am observat experimental că echilibrul quarkurilor la anticharcuri și leptonele la antileptonii este clar păstrat. Dar în Modelul Standard al fizicii particulelor nu există o lege de conservare explicită pentru niciuna dintre aceste cantități separat.
Este nevoie de trei quark-uri pentru a face un barion, deci pentru fiecare trei quark-uri atribuim un număr de baron (B) 1. De asemenea, fiecare lepton va primi un număr de lepton (L) 1. Antiquarcii, antibarionii și antileptonii vor avea numere B și L negative.
Dar în conformitate cu regulile modelului standard, rămâne doar diferența dintre barioni și leptoni. În circumstanțele potrivite, nu puteți crea numai protoni suplimentari, ci și electroni pentru ei. Nu sunt cunoscute circumstanțele exacte, dar Big Bang le-a dat posibilitatea să fie realizate.
Primele etape ale existenței Universului sunt descrise de energii incredibil de mari: suficient de ridicate pentru a crea fiecare particulă cunoscută și antiparticule în cantități mari conform celebrei formule E = mc2 a lui Einstein. Dacă crearea și distrugerea particulelor funcționează așa cum credem, universul timpuriu ar trebui să fie umplut cu un număr egal de particule de materie și antimaterie, care se transformă reciproc una în alta, deoarece energia disponibilă a rămas extrem de ridicată.
Pe măsură ce universul se extinde și se răcește, particulele instabile, odată create în abundență, se vor prăbuși. Dacă sunt îndeplinite condițiile potrivite - în special cele trei condiții ale zaharurilor - acest lucru poate duce la un exces de materie peste antimaterie, chiar dacă inițial nu a existat. Provocarea pentru fizicieni este crearea unui scenariu viabil, în concordanță cu observarea și experimentarea, care să vă ofere suficientă materie în exces peste antimaterie.
Există trei posibilități principale pentru acest exces de materie peste antimaterie:
- Noua fizică pe scala electroweak ar putea crește semnificativ cantitatea de încălcare C și CP în Univers, ceea ce va duce la asimetrii între materie și antimaterie. Interacțiunile SM (prin intermediul procesului sphaleron) care încalcă B și L individual (dar păstrează B-L) pot crea volumele dorite de baroni și leptoni.
- Noua fizică a neutrinelor cu energie mare, la care universul este alintat, ar putea crea o asimetrie fundamentală a leptonilor: leptogeneza. Sphaleronii care conservă B-L ar putea apoi să folosească asimetria leptonului pentru a crea asimetria barionului.
- Sau baryogeneza pe scala de unificare măreță, dacă noua fizică (și particule noi) există pe scara de unificare măreță, când forța electroweak este combinată cu cea puternică.
Aceste scenarii au elemente comune, așa că haideți să aruncăm o privire la ultimul, doar de dragul de exemplu, pentru a înțelege ce s-ar fi putut întâmpla.
Dacă teoria unificării grandioase este corectă, trebuie să existe particule noi, supraeficiente numite X și Y, care au atât proprietăți asemănătoare baryonului, cât și lepton. De asemenea, ar trebui să existe partenerii lor din antimaterie: anti-X și anti-Y, cu numere B - L opuse și sarcini opuse, dar cu aceeași masă și viață. Aceste perechi de particule-antiparticule pot fi create în cantități mari la energii suficient de mari pentru a se descompune ulterior.
Așa că umplem universul cu ele, apoi ele se dezintegrează. Dacă avem încălcări ale C și CP, pot exista mici diferențe în modul în care particulele și antiparticulele (X, Y și anti-X, anti-Y) se descompun.
Dacă particula X are două căi: descompunerea în doi quark în sus sau în două quarkuri anti-down și un pozitron, atunci anti-X trebuie să parcurgă două căi corespunzătoare: două quarkuri anti-up sau un quark în jos și un electron. Există o diferență importantă care este permisă atunci când C- și CP sunt rupte: X poate fi mai probabil să se descompună în două quark-uri decât anti-X în două quark-uri anti-up, în timp ce anti-X este mai probabil să se descompună în quark-ul jos și un electron. decât X - într-un quark anti-up și un pozitron.
Dacă aveți suficiente perechi și se descompun în acest fel, puteți obține cu ușurință un exces de baroni peste antibaroni (și leptoni peste antileptoni) acolo unde nu a existat înainte.
Acesta este doar un exemplu pentru a ilustra înțelegerea noastră despre cele întâmplate. Am început cu un univers complet simetric, ascultând toate legile fizicii cunoscute și cu o stare caldă, densă, bogată, plină de materie și antimaterie în cantități egale. Printr-un mecanism pe care încă nu l-am determinat, ascultând cele trei condiții ale lui Saharov, aceste procese naturale au creat în cele din urmă un exces de materie peste antimaterie.
Faptul că existăm și suntem făcuți din materie este incontestabil; întrebarea este de ce Universul nostru conține ceva (materie) și nu nimic (la urma urmei, materia și antimateria au fost împărțite în mod egal). Poate că în acest secol vom găsi răspunsul la această întrebare.
Ilya Khel
