Kiedy patrzymy na Wszechświat, na wszystkie jego planety i gwiazdy, galaktyki i gromady, gaz, pył, plazmę, widzimy wszędzie te same sygnatury. Widzimy linie absorpcji i emisji atomów, widzimy, że materia oddziałuje z innymi formami materii, widzimy formowanie się i śmierć gwiazd, zderzenia, promienie X i wiele więcej. Jest oczywiste pytanie, które wymaga wyjaśnienia: dlaczego to wszystko widzimy? Jeśli prawa fizyki narzucają symetrię między materią a antymaterią, wszechświat, który obserwujemy, nie powinien istnieć.
Ale my tu jesteśmy i nikt nie wie dlaczego.
Dlaczego we Wszechświecie nie ma antymaterii?
Pomyśl o tych dwóch pozornie sprzecznych faktach:
- za każdym razem, gdy tworzymy kwark lub lepton, tworzymy również antykwark i antylopton;
- za każdym razem, gdy niszczony jest kwark lub lepton, niszczony jest także antykwark lub antylopton;
- stworzone lub zniszczone leptony i antyleptony muszą być w równowadze w całej rodzinie summerpon, a za każdym razem, gdy kwark lub lepton oddziałuje, zderza się lub rozpada, całkowita liczba kwarków i leptonów na końcu reakcji (kwarki minus antykwarki, lepton minus antyleptony) powinna i będzie tak samo jak na początku.
Jedynym sposobem na zmianę ilości materii we wszechświecie była również zmiana ilości antymaterii o tę samą wartość.
A jednak jest drugi fakt.
Ale nie widzimy żadnych oznak niszczenia materii przez antymaterię na większą skalę. Nie widzimy żadnych oznak, że niektóre z gwiazd, galaktyk lub planet, które obserwujemy, są zbudowane z antymaterii. Nie widzimy charakterystycznych promieni gamma, których można by się spodziewać, gdyby antymateria zderzyła się z materią i unicestwiła. Zamiast tego widzimy tylko materię, gdziekolwiek spojrzymy.
Film promocyjny:
I wydaje się to niemożliwe. Z jednej strony nie ma znanego sposobu na stworzenie większej ilości materii niż antymateria poprzez obserwację cząstek i ich interakcji we wszechświecie. Z drugiej strony wszystko, co widzimy, jest zdecydowanie zrobione z materii, a nie z antymaterii.
W rzeczywistości zaobserwowaliśmy anihilację materii i antymaterii w pewnych ekstremalnych warunkach astrofizycznych, ale tylko w pobliżu źródeł hiperenergetycznych, które wytwarzają materię i antymaterię w równych ilościach - na przykład czarne dziury. Kiedy antymateria zderza się z materią we Wszechświecie, wytwarza promienie gamma o bardzo określonych częstotliwościach, które możemy następnie wykryć. Międzygwiezdny ośrodek międzygalaktyczny jest pełen materii, a całkowity brak tych promieni gamma jest silnym sygnałem, że nigdy nie będzie znacznie więcej cząstek antymaterii, ponieważ zostałby wówczas odkryty podpis materii antymaterii.
Jeśli wrzucisz jedną cząstkę antymaterii do naszej galaktyki, przetrwa ona około 300 lat, zanim zostanie zniszczona przez cząstkę materii. To ograniczenie mówi nam, że ilość antymaterii w Drodze Mlecznej nie może przekraczać 1 cząstki na biliard (1015) w stosunku do całkowitej ilości materii.
W dużej skali - w skali galaktyk satelitarnych, dużych galaktyk wielkości Drogi Mlecznej, a nawet gromad galaktyk - ograniczenia są mniej rygorystyczne, ale nadal bardzo silne. Obserwując odległości od kilku milionów lat świetlnych do trzech miliardów lat świetlnych, zaobserwowaliśmy niedobór promieni rentgenowskich i gamma, które mogłyby wskazywać na anihilację materii i antymaterii. Nawet w dużej skali kosmologicznej 99,999% tego, co istnieje w naszym wszechświecie, z pewnością będzie reprezentowane przez materię (tak jak my), a nie przez antymaterię.
Jak znaleźliśmy się w takiej sytuacji, że Wszechświat składa się z dużej ilości materii i praktycznie nie zawiera antymaterii, skoro prawa przyrody są absolutnie symetryczne między materią a antymaterią? Cóż, są dwie opcje: albo Wszechświat narodził się z większą ilością materii niż antymaterii, albo coś wydarzyło się na wczesnym etapie, kiedy Wszechświat był bardzo gorący i gęsty, i dało początek asymetrii materii i antymaterii, które pierwotnie nie istniały.
Pierwsza idea nie może być naukowo przetestowana bez odtworzenia całego Wszechświata, ale druga jest bardzo przekonująca. Jeśli nasz Wszechświat w jakiś sposób stworzył asymetrię materii i antymaterii tam, gdzie jej nie było, to zasady, które wtedy działały, pozostaną niezmienione do dziś. Jeśli jesteśmy wystarczająco sprytni, możemy opracować testy eksperymentalne, które ujawnią pochodzenie materii w naszym wszechświecie.
Pod koniec lat 60. fizyk Andriej Sacharow zidentyfikował trzy warunki wymagane do barogenezy, czyli powstania większej liczby barionów (protonów i neutronów) niż antyarionów. Tutaj są:
- Wszechświat musi być systemem nierównowagi.
- Musi mieć naruszenie C i CP.
- Muszą istnieć interakcje, które naruszają liczbę barionową.
Pierwsza jest łatwa do zaobserwowania, ponieważ rozszerzający się i ochładzający się Wszechświat z niestabilnymi cząsteczkami w sobie (i antycząstkami) z definicji będzie poza równowagą. Druga jest również prosta, ponieważ symetria C (zastąpienie cząstek antycząstkami) i symetria CP (zastąpienie cząstek antycząstkami odbitymi lustrzanie) są przerywane w wielu oddziaływaniach słabych, obejmujących dziwne, zaklęte i piękne kwarki.
Pozostaje pytanie, jak przełamać liczbę barionową. Zaobserwowaliśmy doświadczalnie, że równowaga kwarków do antykwarków i leptonów do antyleptonów jest wyraźnie zachowana. Jednak w modelu standardowym fizyki cząstek elementarnych nie ma wyraźnego prawa zachowania dla żadnej z tych wielkości oddzielnie.
Do zbudowania barionu potrzeba trzech kwarków, więc każdemu trzem kwarkom przypisujemy liczbę barionową (B) 1. Podobnie, każdy lepton otrzyma liczbę leptonową (L) 1. Antykwarki, antyariony i antyleptony będą miały ujemne liczby B i L.
Ale zgodnie z regułami Modelu Standardowego pozostaje tylko różnica między barionami a leptonami. W odpowiednich okolicznościach możesz nie tylko tworzyć dodatkowe protony, ale także elektrony. Dokładne okoliczności nie są znane, ale Wielki Wybuch dał im możliwość realizacji.
Pierwsze stadia istnienia Wszechświata opisywane są przez niewiarygodnie wysokie energie: wystarczająco wysokie, aby stworzyć każdą znaną cząstkę i antycząstkę w dużych ilościach, zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina E = mc2. Jeśli tworzenie i niszczenie cząstek działa tak, jak myślimy, wczesny Wszechświat musiałby być wypełniony taką samą liczbą cząstek materii i antymaterii, które wzajemnie się przekształcały, ponieważ dostępna energia pozostawała niezwykle wysoka.
Gdy wszechświat rozszerza się i ochładza, niestabilne cząstki, raz utworzone w dużych ilościach, zapadną się. Jeśli spełnione są odpowiednie warunki - w szczególności trzy warunki dotyczące cukrów - może to doprowadzić do nadmiaru materii nad antymaterią, nawet jeśli początkowo jej nie było. Wyzwaniem dla fizyków jest stworzenie realnego scenariusza, spójnego z obserwacjami i eksperymentami, który zapewni wystarczającą ilość materii nad antymaterią.
Istnieją trzy główne możliwości tego nadmiaru materii nad antymaterią:
- Nowa fizyka w skali elektrosłabej może znacznie zwiększyć liczbę naruszeń C i CP we Wszechświecie, co doprowadzi do asymetrii między materią a antymaterią. Oddziaływania SM (poprzez proces sfaleron), które naruszają B i L indywidualnie (ale zachowują B - L), mogą tworzyć pożądane objętości barionów i leptonów.
- Nowa fizyka wysokoenergetycznych neutrin, do której sugeruje wszechświat, może stworzyć fundamentalną asymetrię leptonów: leptogenezę. Sfalerony zachowujące B - L mogłyby następnie użyć asymetrii leptonowej do stworzenia asymetrii barionowej.
- Albo barioenezy w skali wielkiego zjednoczenia, jeśli nowa fizyka (i nowe cząstki) istnieją w skali wielkiego zjednoczenia, gdy siła elektrosłaba jest połączona z silną.
Te scenariusze mają wspólne elementy, więc przyjrzyjmy się temu ostatniemu, dla przykładu, aby zrozumieć, co mogło się wydarzyć.
Jeśli teoria wielkiej unifikacji jest poprawna, muszą istnieć nowe, superciężkie cząstki zwane X i Y, które mają zarówno właściwości barionowe, jak i leptonowe. Powinni być też ich partnerzy z antymaterii: anty-X i anty-Y, o przeciwnych liczbach B - L i przeciwnych ładunkach, ale o tej samej masie i żywotności. Te pary cząstka-antycząstka mogą powstawać w dużych ilościach przy energiach dostatecznie wysokich, aby następnie rozpadać się.
Więc wypełniamy nimi wszechświat, a następnie rozpadają się. Jeśli mamy naruszenia C i CP, mogą wystąpić niewielkie różnice w sposobie rozpadu cząstek i antycząstek (X, Y i anty-X, anty-Y).
Jeśli cząstka X ma dwie ścieżki: rozpad na dwa kwarki górne lub na dwa kwarki anty-dół i pozyton, to anty-X musi przejść dwiema odpowiednimi ścieżkami: dwoma kwarkami anty-górnymi lub kwark dolny i elektronem. Istnieje ważna różnica, która jest dozwolona, gdy C- i CP są zerwane: X jest bardziej prawdopodobne, że rozpadnie się na dwa kwarki górne niż anty-X na dwa kwarki górne, podczas gdy anty-X z większym prawdopodobieństwem rozpadnie się na kwark dolny i elektron niż X - w kwark anty-up i pozyton.
Jeśli masz wystarczająco dużo par i rozpadu w ten sposób, możesz łatwo uzyskać nadmiar barionów w porównaniu z antyarionami (i leptonami w porównaniu z antyleptonami), których wcześniej nie było.
To tylko jeden przykład ilustrujący nasze zrozumienie tego, co się stało. Zaczęliśmy od całkowicie symetrycznego wszechświata, przestrzegającego wszystkich znanych praw fizyki, oraz od gorącego, gęstego, bogatego stanu wypełnionego materią i antymaterią w równych ilościach. Dzięki mechanizmowi, którego jeszcze nie ustaliliśmy, przestrzegając trzech warunków Sacharowa, te naturalne procesy ostatecznie doprowadziły do powstania nadmiaru materii nad antymaterią.
Fakt, że istniejemy i jesteśmy stworzeni z materii, jest niezaprzeczalny; pytanie brzmi, dlaczego nasz Wszechświat zawiera coś (materię), a nie nic (w końcu materia i antymateria były równo podzielone). Być może w tym stuleciu znajdziemy odpowiedź na to pytanie.
Ilya Khel