Når vi ser på universet, på alle planetene og stjernene, galakser og klynger, gass, støv, plasma, ser vi de samme signaturene overalt. Vi ser linjer med atomabsorpsjon og emisjon, vi ser at materie samhandler med andre former for materie, vi ser stjernedannelse og død av stjerner, kollisjoner, røntgenstråler og mye mer. Det er et åpenbart spørsmål som krever forklaring: hvorfor ser vi alt dette? Hvis fysikkens lover dikterer symmetri mellom materie og antimaterie, bør universet vi observerer ikke eksistere.
Men vi er her, og ingen vet hvorfor.
Hvorfor er det ingen antimaterie i universet?
Tenk på disse to tilsynelatende motstridende fakta:
- hver gang vi lager en kvark eller lepton, oppretter vi også et antikvark og antilepton;
- hver gang et kvark eller lepton blir ødelagt, ødelegges også et antikvark eller antilepton;
- skapte eller ødelagte leptoner og antileptoner må være i balanse over hele sommerponfamilien, og hver gang en kvark eller lepton interagerer, kolliderer eller forfaller, og skal det totale antallet kvarker og leptoner på slutten av reaksjonen (kvarker minus antikvarker, leptoner minus antileptoner) og vil være slik det samme som det var i begynnelsen.
Den eneste måten å endre mengden materie i universet var også å endre mengden antimaterie med samme mengde.
Og likevel er det en annen faktum.
Men vi ser ikke tegn til ødeleggelse av materie av antimaterie i største skala. Vi ser ingen tegn til at noen av stjernene, galakser eller planeter vi observerer er laget av antimaterie. Vi ser ikke de karakteristiske gammastrålene som man kunne forvente å se om antimateriell kolliderte med materie og ble tilintetgjort. I stedet ser vi bare materie overalt vi ser.
Salgsfremmende video:
Og det virker umulig. På den ene siden er det ingen kjent måte å gjøre mer materie på enn antimaterie ved å se på partikler og deres interaksjoner i universet. På den annen side er alt vi ser definitivt laget av materie, ikke antimaterie.
Faktisk har vi observert ødeleggelse av materie og antimaterie under noen ekstreme astrofysiske forhold, men bare i nærheten av hyperenergetiske kilder som produserer materie og antimaterie i like store mengder - for eksempel sorte hull. Når antimateriell kolliderer med materie i universet, produserer det gammastråler med veldig spesifikke frekvenser, som vi deretter kan oppdage. Det interstellare intergalaktiske mediet er fullt av materiale, og det fullstendige fraværet av disse gammastrålene er et sterkt signal om at det aldri vil være mye mer antimaterielle partikler, ettersom signaturen til antimaterielle stoffer da ville bli oppdaget.
Hvis du kaster en partikkel antimaterie i galaksen vår, vil den vare omtrent 300 år før den blir ødelagt av en partikkel av materie. Denne begrensningen forteller oss at mengden antimateriale i Melkeveien ikke kan overstige 1 partikkel per kvadrillion (1015), relativt til den totale mengden materie.
I stor skala - omfanget av satellittgalakser, store galakser på størrelse med Melkeveien og til og med klynger av galakser - er begrensningene mindre strenge, men fortsatt veldig sterke. Når vi observerer avstander fra noen få millioner lysår til tre milliarder lysår, har vi observert en mangel på røntgenstråler og gammastråler som kan indikere utslettelse av materie og antimaterie. Selv i en stor kosmologisk skala, vil 99.999% av det som finnes i vårt univers definitivt være representert av materie (som vi er) og ikke antimaterie.
Hvordan havnet vi i en slik situasjon at universet består av en stor mengde materie og praktisk talt ikke inneholder antimateriale, hvis naturlovene er absolutt symmetriske mellom materie og antimaterie? Vel, det er to alternativer: Enten ble universet født med mer materie enn antimaterie, eller så skjedde noe på et tidlig tidspunkt, da universet var veldig varmt og tett, og ga opphav til en asymmetri av materie og antimaterie, som opprinnelig ikke eksisterte.
Den første ideen kan ikke testes vitenskapelig uten å gjenskape hele universet, men den andre er veldig overbevisende. Hvis universet vårt på en eller annen måte skapte en asymmetri av materie og antimaterie der det ikke opprinnelig var, vil reglene som fungerte da forbli uendret i dag. Hvis vi er smarte nok, kan vi utvikle eksperimentelle tester som avslører materiens opprinnelse i vårt univers.
På slutten av 1960-tallet identifiserte fysiker Andrei Sakharov tre tilstander som er nødvendige for baryogenese, eller opprettelsen av flere baryoner (protoner og nøytroner) enn antibaryoner. Her er de:
- Universet må være et ikke-quilibrium system.
- Det må ha C- og CP-brudd.
- Det må være interaksjoner som bryter med baryontallet.
Den første er lett å observere, siden et ekspanderende og avkjølende univers med ustabile partikler i det (og antipartikler), per definisjon, vil være utenfor likevekt. Det andre er også enkelt, fordi C-symmetri (erstatte partikler med antipartikler) og CP-symmetri (erstatte partikler med speilreflekterte antipartikler) er ødelagt i mange svake interaksjoner som involverer rare, sjarmerte og vakre kvarker.
Spørsmålet gjenstår hvordan bryte baryntallet. Vi har eksperimentelt sett observert at balansen mellom kvarker til antikvarker og leptoner til antileptoner tydelig er bevart. Men i standardmodellen for partikkelfysikk er det ingen eksplisitt bevaringslov for noen av disse mengdene hver for seg.
Det krever tre kvarker for å lage en baryon, så for hver tre kvarker tilordner vi et baryonnummer (B) 1. På samme måte vil hvert lepton motta et leptonnummer (L) 1. Antikvarker, antibaryoner og antileptoner vil ha negative B- og L-tall.
Men i henhold til reglene i standardmodellen er det bare forskjellen mellom baryoner og leptoner som gjenstår. Under de rette omstendighetene kan du ikke bare lage flere protoner, men også elektroner til dem. De eksakte omstendighetene er ukjente, men Big Bang ga dem muligheten til å bli realisert.
De aller første stadiene av universets eksistens er beskrevet av utrolig høye energier: høye nok til å skape enhver kjent partikkel og antipartikkel i store mengder i henhold til Einsteins berømte formel E = mc2. Hvis partikkeloppretting og ødeleggelse fungerer slik vi tror det er, ville det tidlige universet måtte fylles med et like stort antall materie og antimateriellpartikler som gjensidig transformerte seg til hverandre, da den tilgjengelige energien forble ekstremt høy.
Når universet utvider seg og avkjøles, vil ustabile partikler, når de er skapt i overflod, kollapse. Hvis de riktige betingelsene er oppfylt - spesielt de tre sukkerforholdene - kan dette føre til et overskudd av materie over antimaterie, selv om det i utgangspunktet ikke var noe. Utfordringen for fysikere er å lage et levedyktig scenario, i samsvar med observasjon og eksperimentering, som kan gi deg nok overflødig stoff over antimaterie.
Det er tre hovedmuligheter for dette overflødige stoffet over antimaterie:
- Ny fysikk i elektroweak skala kan øke mengden C- og CP-krenkelse i Universet betydelig, noe som vil føre til asymmetri mellom materie og antimaterie. SM-interaksjoner (via sphaleron-prosessen) som bryter B og L hver for seg (men beholder B-L) kan skape de ønskede volumene av baryoner og leptoner.
- Den nye nøytrinofysikken med høy energi som universet antyder, kan skape en grunnleggende asymmetri av leptoner: leptogenese. Sphalerons som konserverer B - L kan da bruke leptonasymmetri for å lage baryon asymmetri.
- Eller baryogenese på den store enhetsskalaen, hvis den nye fysikken (og de nye partiklene) eksisterer på den store enhetsskalaen, når elektrovikstyrken kombineres med den sterke.
Disse scenariene har vanlige elementer, så la oss se på den siste, bare for eksempel, for å forstå hva som kan ha skjedd.
Hvis den store enhetens teori er korrekt, må det være nye, superheavy partikler kalt X og Y som har både baryon-lignende og lepton-lignende egenskaper. Det skal også være deres partnere fra antimaterie: anti-X og anti-Y, med motsatte B - L-tall og motsatte ladninger, men med samme masse og levetid. Disse partikkel-antipartikkelparene kan opprettes i store mengder med energier høye nok til deretter å forfalle.
Så vi fyller universet med dem, og så går de i oppløsning. Hvis vi har C- og CP-brudd, kan det være små forskjeller i hvordan partikler og antipartikler (X, Y og anti-X, anti-Y) forfaller.
Hvis X-partikkelen har to baner: forfall til to opp kvarker eller i to anti-ned kvarker og en positron, må anti-X gå to tilsvarende baner: to anti-up quarks eller en down quark og et elektron. Det er en viktig forskjell som er tillatt når C- og CP brytes: X er mer sannsynlig at det forfaller til to opp kvarker enn anti-X til to anti-opp kvarker, mens anti-X er mer sannsynlig å forfalle til ned-kvark og et elektron enn X - til en anti-up quark og en positron.
Hvis du har nok par og forråtnelse på denne måten, kan du lett få et overskudd av baryoner over antibaryoner (og lepton over antilepton) der det ikke var noen før.
Dette er bare ett eksempel for å illustrere vår forståelse av hva som skjedde. Vi startet med et helt symmetrisk univers, og fulgte alle kjente fysikklover, og med en varm, tett, rik tilstand, fylt med materie og antimaterie i like store mengder. Gjennom en mekanisme som vi ennå ikke har bestemt, og følg Sakharovs tre forhold, skapte disse naturlige prosessene til slutt et overskudd av materie over antimaterie.
At vi eksisterer og er laget av materie, er ubestridelig; spørsmålet er hvorfor universet vårt inneholder noe (materie) og ikke noe (tross alt, materie og antimaterie var like delt). Kanskje i dette århundre vil vi finne svaret på dette spørsmålet.
Ilya Khel
