Kun katsomme maailmankaikkeutta, kaikkia sen planeettoja ja tähtiä, galakseja ja klustereita, kaasua, pölyä, plasmaa, näemme samat allekirjoitukset kaikkialla. Näemme atomien imeytymisen ja päästöjen linjat, näemme, että aine on vuorovaikutuksessa muiden aineen muotojen kanssa, näemme tähtimuodostumisen ja tähten kuoleman, törmäykset, röntgenkuvat ja paljon muuta. On selvä kysymys, joka vaatii selitystä: miksi näemme kaiken tämän? Jos fysiikan lait sanelevat symmetrian aineen ja antimateriaalin välillä, havaitsemamme maailmankaikkeuden ei pitäisi olla olemassa.
Mutta olemme täällä, eikä kukaan tiedä miksi.
Miksi maailmankaikkeudessa ei ole antimateriaa?
Ajattele näitä kahta näennäisesti ristiriitaista tosiseikkaa:
- Joka kerta kun luomme kvarkkia tai leptonia, luomme myös antiikkunan ja antileptonin;
- joka kerta kun kvarkki tai leptoni tuhotaan, tuhoutuu myös antiikkärki tai antileptoni;
- luomien tai tuhottujen leptonien ja antileptonien on oltava tasapainossa koko kesäponenin perheen suhteen, ja aina kun kvarkin tai leptonin välinen vuorovaikutus, törmäys tai rappeutuminen, kvarkkien ja leptonien kokonaismäärän reaktion lopussa (kvarkit miinus antiikki, leptonit miinus antileptonit) pitäisi ja tulee olemaan. sama kuin se oli alussa.
Ainoa tapa muuttaa aineen määrää maailmankaikkeudessa oli myös muuttaa antimaterian määrää samalla määrällä.
Ja silti, on toinen tosiasia.
Mutta emme näe merkkejä aineen tuhoutumisesta antimateriaalin suhteen suurimmassa mittakaavassa. Emme näe merkkejä siitä, että jotkut tähdet, galaksit tai planeetat olisivat valmistettu antimateriaalista. Emme näe ominaisia gammasäteitä, joita voitaisiin odottaa näkevän, jos antimateria törmääisi aineeseen ja tuhoutuisi. Sen sijaan näemme vain asiaa kaikkialla, missä katsomme.
Mainosvideo:
Ja se näyttää mahdottomalta. Yhtäältä ei ole tunnettua tapaa saada enemmän ainetta kuin antimateria tutkimalla hiukkasia ja niiden vuorovaikutusta maailmankaikkeudessa. Toisaalta kaikki, mitä näemme, on ehdottomasti tehty aineesta, ei antimateriaalista.
Itse asiassa olemme havainneet aineen ja antimaterian tuhoutumisen tietyissä äärimmäisissä astrofysikaalisissa olosuhteissa, mutta vain lähellä hyperenergetisiä lähteitä, jotka tuottavat ainetta ja antimateriaa yhtä suuressa määrin - esimerkiksi mustia reikiä. Kun antimateria törmää yhteen maailmankaikkeuden aineen kanssa, se tuottaa gammasäteitä, joilla on hyvin spesifiset taajuudet, jotka voimme sitten havaita. Tähtienvälinen maitohappoväli väliaine on täynnä materiaalia, ja näiden gammasäteiden täydellinen puuttuminen on voimakas signaali siitä, että ei enää tule olemaan paljon enemmän antimateriaalihiukkasia, koska antimateriaalin allekirjoitus löydettäisiin sitten.
Jos heität yhden antimateriaalihiukkasen galaksiimme, se kestää noin 300 vuotta ennen kuin ainehiukkas tuhoaa sen. Tämä rajoitus kertoo meille, että Linnunradan antimatterin määrä ei saa ylittää yhtä hiukkasta kvadriljoonaa kohti (1015) suhteessa aineen kokonaismäärään.
Suuressa mittakaavassa - satelliittigalaxien mittakaavassa, Linnunradan kokoiset suuret galaksit ja jopa galaksiklusterit - rajoitukset ovat vähemmän tiukat, mutta silti erittäin vahvat. Tarkkailemalla etäisyyksiä muutamasta miljoonasta valovuosta kolmeen miljardiin valovuoteen, olemme havainneet röntgen- ja gammasäteiden puutteen, joka voisi viitata aineen ja antimaterian tuhoutumiseen. Jopa laajassa kosmologisessa mittakaavassa, 99,999% maailmankaikkeudestamme edustaa ehdottomasti ainetta (sellaisena kuin me olemme) eikä antimateriaa.
Kuinka päädyimme sellaiseen tilanteeseen, että maailmankaikkeus koostuu suuresta määrästä ainetta eikä käytännöllisesti katsoen sisällä antimateriaa, jos luonnonlait ovat ehdottomasti symmetrisiä aineen ja antimaterian välillä? No, on olemassa kaksi vaihtoehtoa: joko maailmankaikkeudessa syntyi enemmän ainetta kuin antimateriaa, tai jotain tapahtui varhaisessa vaiheessa, kun maailmankaikkeus oli erittäin kuuma ja tiheä, ja aiheutti aineen ja antimaterian epäsymmetrian, jota alun perin ei ollut.
Ensimmäistä ideaa ei voida testata tieteellisesti ilman, että luodaan uudelleen koko maailmankaikkeus, mutta toinen on erittäin vakuuttava. Jos universumimme jollain tavalla loi aineen ja antimaterian epäsymmetrian siellä, missä sitä ei alun perin ollut, silloin toimineet säännöt pysyvät ennallaan. Jos olemme riittävän fiksuja, voimme kehittää kokeellisia testejä, jotka paljastavat aineen alkuperän universumissamme.
1960-luvun lopulla fyysikko Andrei Saharov yksilöi kolme edellytystä, jotka tarvitaan baryogeneesiin tai luomiseen enemmän baronia (protoneja ja neutroneja) kuin vasta-aroneja. Täällä he ovat:
- Universumin on oltava epätasapainoinen järjestelmä.
- Sillä on oltava C- ja CP-rikkomus.
- On oltava vuorovaikutuksia, jotka rikkovat baryonin lukua.
Ensimmäistä on helppo havaita, koska laajeneva ja jäähdyttävä maailmankaikkeus, jossa on epästabiileja hiukkasia (ja antihiukkasia), on määritelmänsä mukaan epätasapainossa. Toinen on myös yksinkertainen, koska C-symmetria (korvaa hiukkaset antihiukkasilla) ja CP-symmetria (korvaa hiukkaset spekulaarisesti heijastuneilla hiukkasilla) rikkoutuvat monissa heikoissa vuorovaikutuksissa, joihin liittyy outoja, hurmattuja ja kauniita kvarkkeja.
Kysymys on edelleen siitä, kuinka baryonin luku muutetaan. Olemme havainneet kokeellisesti, että kvarkkien tasapaino antiikkiin ja leptonien antileptoneihin säilyy selvästi. Hiukkasfysiikan standardimallissa ei kuitenkaan ole nimenomaista säilyttämislakia millekään näistä määristä erikseen.
Baryonin tekeminen vie kolme kvarkkia, joten jokaiselle kolmen kvarkin kohdalla annamme baryonin luvun (B) 1. Samoin jokaiselle leptonille annetaan leptonluku (L) 1. Antikvarkeilla, vasta-aroneilla ja antileptoneilla on negatiiviset B- ja L-luvut.
Mutta vakiomallin sääntöjen mukaan vain baryonien ja leptonien välinen ero säilyy. Oikeissa olosuhteissa et voi vain luoda lisää protoneja, mutta myös elektroneja niihin. Tarkkaa tilannetta ei tunneta, mutta iso räjähdys antoi heille mahdollisuuden toteutua.
Universumin olemassaolon ensimmäisiä vaiheita kuvaavat uskomattoman korkeat energiat: riittävän korkeat, jotta voidaan luoda kaikki tunnetut hiukkaset ja antihiukkaset suurina määrinä Einsteinin kuuluisan kaavan E = mc2 mukaisesti. Jos hiukkasten luominen ja tuhoaminen toimii niin kuin luulemme sen olevan, varhainen maailmankaikkeus olisi täytettävä yhtä suurella määrällä aineita ja antimateriaalipartikkeleita, jotka muuttuivat keskenään toisiinsa, koska käytettävissä oleva energia pysyi erittäin korkeana.
Kun maailmankaikkeus laajenee ja jäähtyy, epävakaat hiukkaset, kun ne on luotu runsaasti, romahtavat. Jos oikeat ehdot täyttyvät - etenkin kolme sokeriolosuhdetta -, tämä voi johtaa aineen ylimäärään antimateriaaliin verrattuna, vaikka alun perin sitä ei olisikaan. Fyysikoiden haasteena on luoda havainnoinnin ja kokeilujen mukainen toteuttamiskelpoinen skenaario, joka voi antaa sinulle tarpeeksi ylimääräistä ainetta antimateriaalin yli.
Tälle aineen ylimääräiselle antimateriaalille verrattuna on kolme päämahdollisuutta:
- Uusi fysiikka sähköaktiivisuuden asteikolla voisi merkittävästi lisätä C- ja CP-rikkomusten määrää maailmankaikkeudessa, mikä johtaa asymmetrioihin aineen ja antimaterian välillä. SM-vuorovaikutukset (sphaleron-prosessin kautta), jotka rikkovat B: n ja L: n (mutta pitävät B-L: n), voivat luoda halutut määrät baryoneja ja leptoneja.
- Uusi korkean energian neutriinofysiikka, johon maailmankaikkeus viittaa, voisi luoda leptonien perustavanlaatuisen epäsymmetrian: leptogeneesin. B - L: tä säilyttävät sphaleronit voisivat sitten käyttää leptonin epäsymmetriaa luomiseksi baryonin epäsymmetrian.
- Tai baryogeneesi suuressa yhdistymisasteikossa, jos uusi fysiikka (ja uudet hiukkaset) ovat olemassa suuressa yhdistymisasteikossa, kun sähkövirtavoima yhdistetään vahvaan.
Näillä skenaarioilla on yhteisiä elementtejä, joten katsotaanpa viimeistä, vain esimerkin vuoksi, ymmärtääksesi mitä tapahtui.
Jos suuri yhdistymisteoria on oikein, siellä on oltava uusia, ylimääräisiä hiukkasia, nimeltään X ja Y, joilla on sekä baryonin kaltaiset että leptonin kaltaiset ominaisuudet. Niiden kumppaneita tulisi olla myös antimateriaalista: anti-X ja anti-Y, joilla on vastakkaiset B-L-numerot ja vastakkaiset varaukset, mutta joilla on sama massa ja käyttöikä. Nämä hiukkas-antihiukkasparit voidaan luoda suurina määrinä energioilla, jotka ovat riittävän korkeita myöhemmin hajoamaan.
Joten me täytämme maailmankaikkeuden heillä, ja sitten he hajoavat. Jos meillä on C- ja CP-rikkomuksia, hiukkasten ja hiukkasten (X, Y ja anti-X, anti-Y) rappeutumisessa voi olla pieniä eroja.
Jos X-hiukkasella on kaksi polkua: hajoaa kahteen ylöspäin kvarkkiin tai kahteen alaspäin suuntautuvaan kvarkkiin ja positroniksi, niin anti-X: n on kuljettava kahden vastaavan reitin läpi: kaksi ylöspäin suuntautuvaa kvarkkia tai alaspäin kvarkkia ja elektronia. On olemassa tärkeä ero, joka sallitaan, kun C- ja CP hajoavat: X saattaa hajoa todennäköisemmin kahdeksi ylöspäin kvarkeiksi kuin anti-X kahdeksi ylöspäin kvarkeiksi, kun taas anti-X hajoaa todennäköisemmin alaspäin kvarkeiksi ja elektroniksi. kuin X - anti-up-kvarkkiin ja positroniin.
Jos sinulla on riittävästi pareja ja hajoaminen tällä tavalla, voit saada helposti ylimäärä baryoneja yli antiaryonien (ja leptoneja yli antileptonien), missä sitä ei ollut aiemmin.
Tämä on vain yksi esimerkki havainnollistamaan ymmärrystämme tapahtumasta. Aloitimme täysin symmetrisestä universumista, joka noudattaa kaikkia tunnettuja fysiikan lakeja, ja kuumasta, tiheästä, rikkaasta tilasta, joka on täynnä ainetta ja antimateriaa yhtä suuressa määrin. Nämä luonnolliset prosessit loivat lopulta ylimääräisen aineen antimateriaaliin verrattuna mekanismin avulla, joka meidän on vielä määriteltävä ja tottelevat Saharovin kolmea ehtoa.
Se, että olemme olemassa ja olemme tehty aineesta, on kiistatonta; kysymys on, miksi universumissamme on jotain (ainetta) eikä mitään (loppujen lopuksi aine ja antimateria jakautuivat tasapuolisesti). Ehkä tällä vuosisadalla löydämme vastauksen tähän kysymykseen.
Ilja Khel